KR100311070B1 - 리니어 스텝 모터를 이용한 ｘｙ-스테이지 및 그 제어 시스템 - Google Patents

리니어 스텝 모터를 이용한 ｘｙ-스테이지 및 그 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지 및 그 제어 시스템에 관한 것으로서, XY-스테이지는, 인가된 전류의 방향에 따라 대응되는 방향의 자력을 발생시키는 인덕터를 가지며 X, Y축 방향의 리니어 스텝 운동 및 미소 회전 운동을 하는 가동 부재와, 그 가동 부재의 하부에 위치되어 가동 부재를 지지하는 것으로, 그 표면에는 가동 부재의 X, Y방향의 리니어 스텝 운동 및 미소 회전 운동을 가능하게 하기 위한 다수의 돌기들이 상호 소정 간격을 두고 형성되어 있는 고정 부재를 포함한다. 또한, 그 제어 시스템은, 가동 부재의 X축 및 Y축상의 현재 위치값 및 현재 회전값을 검출하기 위한 검출부와, 검출부로부터의 검출 신호에 의해 현재 위치값 및 현재 회전값을 연산하고, 현재 위치값과 목표 위치값과의 편차인 위치 오차값과, 현재 회전값과 목표 회전값과의 편차인 회전 오차값과, 목표 가속도값을 연산하여 출력하는 연산 장치와, 위치 오차값 및 회전 오차값에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행하고, 그 결과값에 목표 가속도값을 가산하여 상기 오차를 보상하는 오차 보상부와, 오차 보상부로부터의 출력값을 진폭으로 갖는 정현파 신호를 출력하는 정현파 변환부, 및 정현파 신호를 상기 전류 명령 신호로 변환하여 상기 가동 부재로 입력시키는 전류 명령 발생부를 포함한다.

Description

리니어 스텝 모터를 이용한 ＸＹ-스테이지 및 그 제어 시스템{XY-stage using linear step mortor and control system thereof}
본 발명은 자동 조립설비 분야 등에 널리 사용되는 XY-스테이지에 관한 것으로서, 특히 평면상에서 X, Y방향의 직선 운동 및 미소 회전 운동이 가능한 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지 및 그 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 산업 현장에서 각종 정밀 기기 등의 제작 공정 등에 사용되는 스테이지는 X축 방향 및 Y축 방향으로의 이동이 가능한 XY-스테이지를 구비한다.
도 1에는 그와 같은 종래의 XY-스테이지의 장치 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래의 XY-스테이지(10)는, 장치를 지지하는 스테이지 베이스(11)가 마련되어 있고, 그 스테이지 베이스(11) 위에는 Y-스테이지(12)가, 그 Y-스테이지(12) 위에는 X-스테이지(13)가 각각 안착되어 있다. 그리고, 각 스테이지(12, 13)의 왕복 직선 운동의 구동력을 발생시키는 X-스테이지 구동 모터(13m)와 Y-스테이지 구동 모터(12m)가 각 스테이지(12)(13)의 일측에 각각 설치되어 있다.
도 2는 이와 같은 구조의 종래 XY-스테이지(10)가 분리된 상태를 나타내 보인 분리 사시도이다. 도 2를 참조하면, X-스테이지(13)와 Y-스테이지(12)를 이동시키는 각 구동부의 중심축 일단에는 구동 모터(12m, 13m), 예컨대 일반 회전 구동모터가 각각 설치되어 있고, 이 구동 모터(12m, 13m)의 축에는 볼 스크류(ball screw; 12s, 13s)가 각각 설치되어 있다. 그리고, 이 볼 스크류(12s, 13s)의 양측에는 리니어 베어링(linear bearing;12b1, 12b2, 13b1, 13b2)이 각각 설치되어 있다.
그런데, 이와 같은 구조를 갖는 종래의 XY-스테이지(10)는 볼 스크류(12s, 13s)와 리니어 베어링(12b1, 12b2, 13b1, 13b2)에 의한 기구적 마찰로 오차가 발생하며, 미소한 회전 변위에 대한 정밀 위치 제어를 수행할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 리니어 스텝 모터를 이용함으로써 기구적 마찰에 의한 오차가 최소화되고, 미소 회전이 가능하도록 된 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지 및 그 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 XY-스테이지의 개략적인 장치 구성도.
도 2는 도 1의 XY-스테이지의 분리 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 구조를 개략적으로 나타내 보인 도면.
도 4는 도 3의 XY-스테이지의 가동 부재에 형성된 자극을 설명하기 위한 도면.
도 5a 내지 도 5d는 도 3의 XY-스테이지의 구동 과정을 설명하기 위하여 그 일부분만을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터의 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타내 보인 블록도.
도 7은 도 6의 제어 시스템의 오차 보상부의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도.
도 8은 도 7의 오차 보상부의 PID 제어기의 회로 구성의 일예를 나타낸 회로도.
도 9는 도 8의 PID 제어기의 주파수 특성을 나타낸 그래프.
도 10은 도 8의 PID 제어기의 가변 저항기와 커패시터에 의해 설정되는 구동 주파수 영역을 나타내는 그래프.
도 11은 도 8의 PID 제어기의 적분 회로에서 저항기(R9)와 커패시터(C5)에 의해 저주파수대에서의 게인 증가를 나타내 보인 그래프.
도 12는 도 8의 PID 제어기의 출력 전압을 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
310...가동 부재 320...고정 부재
311, 312...X축 인덕터 313, 314...Y축 인덕터
311a, 311b, 311c, 311d...제1 X축 인덕터에 형성된 전자석
312a, 312b, 312c, 312d...제2 X축 인덕터에 형성된 전자석
313a, 313b, 313c, 313d...제1 Y축 인덕터에 형성된 전자석
314a, 314b, 314c, 314d...제2 Y축 인덕터에 형성된 전자석
321...이(teeth) 322...베이스
351, 352, 353...위치 검출 센서 354, 355...거울
61...검출부 611...레이저 헤드
612a, 612b, 612c...인터페로미터 613a, 613b, 613c...광 검출부
614a, 614b, 614c...축 보드 615...에어 센서
616...대기 보상부 62...연산 장치
63...오차 보상부 64...정현파 변환부
65...전류 명령 발생부
631a, 632b, 632c...디지털/아날로그 변환기
632a, 632b...PID 제어기 633...가산기
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지는, 인가된 전류의 방향에 따라 대응되는 방향의 자력을 발생시키는 인덕터를 가지며 X, Y축 방향이 리니어 스텝 운동 및 미소 회전 운동을 하는 가동 부재와, 상기 가동 부재의 하부에 위치되어 상기 가동 부재를 지지하는 것으로, 그 표면에는 상기 가동 부재의 X, Y축 방향의 리니어 스텝 운동 및 미소 회전 운도을 가능하게 하기 위한 다수의 돌기들이 상호 소정 간격을 두고 형성되어 있는 고정부재를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명에 있어서, 상기 가동 부재는, 상기 인가된 전류의 방향에 따라 X축 방향으로의 이동력을 발생시키는 X축 인덕터, 및 상기 인가된 전류의 방향에 따라 Y축 방향의 이동력을 발생시키는 Y축 인덕터를 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 제어 시스템은, 인가된 전류의 방향에 따라 대응되는 방향의 자력을 발생시키는 인덕터를 가지며 X, Y축 방향의 직선 운동 및 미소 회전 운동을 하는 가동 부재와, 상기 가동 부재를 지지하는 고정 부재를 구비하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 제어 시스템에 있어서, 상기 가동 부재의 X축 및 Y축상의 현재 위치값 및 현재 회전값을 검출하기 위한 검출부; 상기 검출부로부터의 검출 신호에 의해 현재 위치값 및 현재 회전값을 연산하고, 상기 현재 위치값과 목표 위치값과의 편차인 위치 오차값과, 상기 현재 회전값과 목표 회전값과의 편차인 회전 오차값과, 목표 가속도값을 연산하여 출력하는 연산 장치; 상기 위치 오차값 및 회전 오차값에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행하고, 상기 제어를 수행한 결과값에 상기 목표 가속도값을 가산하여 상기 오차를 보상하는 오차 보상부; 상기 오차 보상부로부터의 출력값을 진폭으로 갖는 정현파 신호를 출력하는 정현파 변환부; 및 상기 정현파 신호를 상기 전류 명령 신호로 변환하여 상기 가동 부재로 입력시키는 전류 명령 발생부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지 및 그 제어 시스템을 설명한다.
도 3에는 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 XY-스테이지(30)는, 인가된 전류의 방향에 따라 대응되는 방향의 자력을 발생시키는 인덕터를 가지며 X, Y축 방향의 리니어 스텝 운동 및 미소 회전 운동을 하는 가동 부재(310)와, 상기 가동 부재(310)의 하부에 위치되어 가동 부재(310)를 지지하는 것으로, 그 표면에는 상기 가동 부재(310)의 X, Y축 방향의 리니어 스텝 운동 및 미소 회전 운동을 가능하게 하기 위한 다수의 돌기가 상호 소정 간격을 두고 형성되어 있는 고정 부재(320)를 포함한다.
상기 가동 부재(310)는 X축 및 Y축으로의 직선 운동을 위하여 제어 전류의 방향에 따라 X축 방향으로의 이동력을 발생시키는 X축 인덕터(311, 312) 및 제어 전류의 방향에 따라 Y축 방향으로의 이동력을 발생시키는 Y축 인덕터(313, 314)를 구비한다. 그리고, 이 X축 인덕터(311, 312) 및 Y축 인덕터(313, 314)에는 영구 자석 및 전자석이 각각 구비되어 있으며, 고정 부재(320)의 대향면에는 자로(magnetic path)를 형성하기 위한 이(teeth)들(미도시)이 규칙적으로 배열되어 있다.
상기 고정 부재(320)에는 복수개의 이(321)가 규칙적으로 돌출되어 있으며, 그 베이스(322)는 자속이 쉽게 통과할 수 있는 물질, 예컨대 강자성체로 된 베이스이다.
한편, 직선 운동 외에 미소 회전 운동을 수행하도록 하기 위하여, X축 인덕터(311, 312)는 2개가 서로 이격되어 나란하게 위치되며, Y축 인덕터(313, 314)는2개가 X축 인덕터(311, 312)들과 직교하는 방향으로 이격되어 서로 나란하게 위치된다.
이와 같은 구조에 따르면, 상기 가동 부재(310)의 각 전자석에 권선된 코일에 공급되는 전류를 제어함으로써, 가동 부재(310)를 직선 운동 및 미소 회전 운동시킬 수 있다. 그리고, 가동 부재(310)의 각 축의 위치를 검출하여 정밀하게 제어할 수 있으며, 이를 위하여 가동 부재(310)의 각 축에는 위치를 검출하기 위한 위치 검출 센서가 배치된다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 가동 부재(310)의 X축 상의 위치를 검출하기 위한 X축 위치 검출 센서(X)(353) 및 Y축 상의 위치를 검출하기 위한 Y축 위치 검출 센서(Y1, Y2)(351, 352)가 각각 구비된다. 상기 위치 검출 센서로서 레이저 인터페로미터를 사용하는 경우, 상기 레이저 인터페로미터로부터 출사되는 레이저 광을 반사시키기 위한 거울(354, 355)이 가동 부재(310)의 상기 레이저 인터페로미터와의 대향면에 부착된다.
한편, 도 4에는 본 발명에 따른 XY-스테이지의 X축 인덕터(311, 312) 및 Y축 인덕터(313, 314)에 형성된 자극이 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 상기 2개의 X축 인덕터 중, 제1 X축 인덕터(311)와 제2 X축 인덕터(312)는 각각 4개의 전자석(311a 내지 311d, 312a 내지 312d)을 구비한다. 그리고, 상기 2개의 Y축 인덕터 중, 제1 Y축 인덕터(313) 및 제2 Y축 인덕터(314)도 각각 4개의 전자석(311a 내지 311d, 312a 내지 312d)을 구비한다.
상기 제1 X축 인덕터(311)의 첫 번째 전자석(311a)은 X방향에 S극이 형성되어 있으며, X방향의 반대 방향에 N극이 형성되어 있다. 상기 제1 X축 인덕터(311)의 두 번째 전자석(311b)는 X방향에 N극이 형성되어 있으며, X방향의 반대 방향에 S극이 형성되어 있다. 그리고, 상기 제1 X축 인덕터(311)의 세 번째 전자석(311c)은 상기 첫 번째 전자석(311a)과 동일하게 자극이 형성되어 있으며, 네 번째 전자석(311d)은 상기 두 번째 전자석(311b)과 동일하게 자극이 형성되어 있다.
상기 제2 X축 인덕터(312)에 형성된 각 전자석(312a 내지 312d)의 자극은 상기 제1 X축 인덕터(311)에 형성된 각 전자석(311a 내지 311d)의 자극과 동일하게 형성된다.
한편, 상기 제1 Y축 인덕터(313)의 첫 번째 전자석(313a)은 Y방향에 N극이 형성되어 있으며, Y방향의 반대 방향에 S극이 형성되어 있다. 상기 제1 Y축 인덕터(313)의 두 번째 전자석(313b)는 Y방향에 S극이 형성되어 있으며, Y방향의 반대 방향에 N극이 형성되어 있다. 그리고, 상기 제1 Y축 인덕터(313)의 세 번째 전자석(313c)은 상기 첫 번째 전자석(313a)과 동일하게 자극이 형성되어 있으며, 네 번째 전자석(313d)은 상기 두 번째 전자석(313b)과 동일하게 자극이 형성되어 있다.
상기 제2 Y축 인덕터(314)에 형성된 각 전자석(314a 내지 314d)의 자극은 상기 제1 Y축 인덕터(313)에 형성된 각 전자석(313a 내지 313d)의 자극과 동일하게 형성된다.
상기와 같은 분포로 자극이 형성되어 있는 각 전자석에는, 도 4에 표시된 바와 같이, 사인(sine) 및 코사인(cosine) 형태의 입력 신호가 입력된다.
이와 같은 입력 신호에 의한 구동 과정이 도 5a 내지 도 5d에 도시되어 있다. 도 5a 내지 도 5d에서, 도면 부호 311은 제1 X축 인덕터를 나타내며, 도면 부호 320은 고정 부재를 나타낸다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 제1 X축 인덕터(311)의 제1 전자석(311a) 및 제4 전자석(311d)에 각각 권선된 코일의 도 5a에 나타낸 방향으로 입력 전류가 흐르도록 하면, 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)의 돌출극A, C, F 및 H에 형성되는 자력은, 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 동일한 방향이 되어 증가된다. 그리고, 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)의 돌출극B, D, E 및 G에 형성되는 자력은, 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 반대 방향이 되어 감소된다. 따라서, 돌출극A, C, F 및 H의 첫 번째 이가 고정 부재(320)의 이(321)와 정렬(alignment)하게 되어 가동 부재(310)가 X방향의 반대 방향으로 1/4 피치만큼 이동한다. 그리고, 상기와 같은 구동 과정에 따라 가동 부재(310)가 이동한 후에 각 돌출극의 첫 번째 이의 위치는 도 5a에 나타낸 바와 같다. 즉, 돌출극A, C, F 및 H의 첫 번째 이의 위치는 0 즉, 정렬 상태이며, 돌출극B, D, E 및 G의 첫 번째 이의 위치는 2/4피치이다. 그리고, 돌출극I, K, N 및 P의 첫 번째 이의 위치는 1/4피치이며, 돌출극J, L, M 및 O의 첫 번째 이의 위치는 3/4피치이다.
다음에, 제1 X축 인덕터(311)의 제2 전자석(311b) 및 제3 전자석(311c)에 각각 권선된 코일의 도 5b에 나타낸 방향으로 입력 전류가 흐르도록 하면, 제2 및 제3 전자석(311b, 311c)의 돌출극J, L, M 및 O에 형성되는 자력은, 제2 및 제3 전자석(311b, 311c)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 동일한 방향이 되어증가된다. 그리고, 제2 및 제3 전자석(311b, 311c)의 돌출극I, K, N 및 P에 형성되는 자력은, 제2 및 제3 전자석(311b, 311c)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 반대 방향이 되어 감소된다. 따라서, 돌출극J, L, M 및 O의 첫 번째 이가 고정 부재(320)의 이(321)와 정렬(alignment)하게 되어 가동 부재(310)가 X방향의 반대 방향으로 1/4 피치만큼 더 이동한다. 그리고, 상기와 같은 구동 과정에 따라 가동 부재(310)가 이동한 후에 각 돌출극의 첫 번째 이의 위치는 도 5b에 나타낸 바와 같다.
다음에, 제1 X축 인덕터(311)의 제1 전자석(311a) 및 제4 전자석(311d)에 각각 권선된 코일의 도 5c에 나타낸 방향으로 입력 전류가 흐르도록 하면, 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)의 돌출극B, D, E 및 G에 형성되는 자력은, 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 동일한 방향이 되어 증가된다. 그리고, 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)의 돌출극A, C, F 및 H에 형성되는 자력은, 제1 및 제4 전자석(311a, 311d)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 반대 방향이 되어 감소된다. 따라서, 돌출극B, D, E 및 G의 첫 번째 이가 고정 부재(320)의 이(321)와 정렬(alignment)하게 되어 가동 부재(310)가 X방향의 반대 방향으로 1/4 피치만큼 더 이동한다. 그리고, 상기와 같은 구동 과정에 따라 가동 부재(310)가 이동한 후에 각 돌출극의 첫 번째 이의 위치는 도 5c에 나타낸 바와 같다.
다음에, 제1 X축 인덕터(311)의 제2 전자석(311b) 및 제3 전자석(311c)에 각각 권선된 코일의 도 5d에 나타낸 방향으로 입력 전류가 흐르도록 하면, 제2 및제3 전자석(311b, 311c)의 돌출극I, K, N 및 P에 형성되는 자력은, 제2 및 제3 전자석(311b, 311c)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 동일한 방향이 되어 증가된다. 그리고, 제2 및 제3 전자석(311b, 311c)의 돌출극J, L, M 및 O에 형성되는 자력은, 제2 및 제3 전자석(311b, 311c)에 결합된 영구 자석에 의해 형성되는 자장과 반대 방향이 되어 감소된다. 따라서, 돌출극I, K, N 및 P의 첫 번째 이가 고정 부재(320)의 이(321)와 정렬(alignment)하게 되어 가동 부재(310)가 X방향의 반대 방향으로 1/4 피치만큼 더 이동하여 최종적으로 1 피치만큼 이동된다. 한편, 상기와 같은 구동 과정에 따라 가동 부재(310)가 이동한 후에 각 돌출극의 첫 번째 이의 위치는 도 5d에 나타낸 바와 같다.
상기와 같은 원리에 따라서, 상기 가동 부재(310)를 X방향으로 이동시키고자 하는 경우에는, 앞서 설명한 입력 전류의 방향과 반대 방향으로 입력 전류를 공급하면 가동 부재(310)가 X방향으로 이동된다. 또한, Y방향 또는 Y방향과 반대 방향으로 가동 부재(310)를 이동시키기 위해서는 앞서 설명한 바와 같이, 적절한 방향으로 입력 전류를 공급하면 된다. 한편, X축 인덕터(311, 312) 및 Y축 인덕터(313, 314)에 입력 전류를 각각 일정한 방향으로 공급하면, 상기 가동 부재(310)를 미소 회전시킬 수 있다.
그러면, 본 발명에 따른 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 제어 시스템을 설명하기로 한다.
도 6은 상기 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제어 시스템은, XY-스테이지의 가동 부재(310)의 X축및 Y축 상의 현재 위치값 및 현재 회전값을 검출하기 위한 검출부(61)와, 이 검출부(61)로부터의 검출 신호에 의해 현재 위치값 및 현재 회전값을 연산하고, 현재 위치값과 목표 위치값과의 편차인 위치 오차값과, 현재 회전값과 목표 회전값과의 편차인 회전 오차값과, 목표 가속도값을 연산하여 출력하는 연산 장치(62)와, 상기 위치 오차값 및 회전 오차값을 보상하는 오차 보상부(63)와, 이 오차 보상부(63)로부터의 출력값을 진폭으로 갖는 정현파를 출력하는 정현파 변환부(64)와, 이 정현파 변환부(64)로부터의 정현파 신호를 전류 명령으로 변환하여 상기 가동 부재(310)로 입력시키는 전류 명령 발생부(65)를 포함하여 구성된다.
검출부(61)는, 인덕터(310)의 X축 및 Y축 상의 현재 위치값 및 현재 회전값을 검출하기 위한 것으로서 레이저 인터페로미터 모듈을 사용한다.
상기 레이저 인터페로미터 모듈(61)은, 레이저 광을 출사하는 레이저 헤드(611)와, 이 레이저 헤드(611)로부터의 레이저 광을 가동 부재(310)의 Y축에 수직인 면에 출사하는 제1 및 제2 인터페로미터(612a)(612b)와, 레이저 헤드(611)로부터의 레이저 광을 가동 부재(310)의 X축에 수직인 면에 출사하는 제3 인터페로미터(612c)와, 상기 제1, 제2 및 제3 인터페로미터(612a, 612b, 612c)로부터 출사되어 가동 부재(310)의 각 측면에 부착된 거울에 반사되는 레이저 광을 각각 검출하고, 이 검출된 레이저 광의 주파수를 증폭하여 출력하는 제1, 제2 및 제3 광검출부(613a, 613b, 613c)와, 이 제1, 제2 및 제3 광검출부(613a, 613b, 613c)로부터의 출력 신호를 각각 펄스로 변환하여 카운팅한 후, 이 카운팅값을 고려하여 가동 부재(310)의 각 반사면의 위치값을 연산하는 제1, 제2 및 제3 축(axis)보드(614a,614b, 614c)를 포함하여 구성된다.
한편, 레이저 광의 파장은 대기중의 기압, 온도 및 습도 등의 변화에 의해 변화될 수 있으므로 이에 따른 오차를 보정하기 위하여, 대기 온도, 습도 및 기압을 검출하는 에어 센서(615)와, 이 에어 센서(615)로부터의 검출 신호에 따라 레이저 광의 파장 변화를 보상하기 위한 보상 계수값을 연산하여 출력하는 대기 보상부(616)가 구비된다. 이 경우에 상기 대기 보상부(616)에서의 보상 계수값은 아래의 수학식 1에 의해 연산된다.
여기서, K는 상기 에어 센서(615)에 의해 검출된 대기의 압력(P), 온도(T) 및 상대 습도(H)량에 따라 그 값이 결정되는 변수이다.
이와 같이, 보상 계수값이 연산되면, 가동 부재(310)의 각 반사 지점의 위치값은 아래의 수학식 2에 의해 연산된다.
여기서, PN은 광검출부로부터의 출력 신호가 펄스로 변환된 후에 카운팅된 펄스 갯수이며, DPN은 소정의 연산 과정에 의해 결정되는 데드패스(Deadpath) 갯수이며, λ는 레이저 광의 파장이며, N은 레이저 광을 반사시키는 거울에 따라 결정되는 상수로서, 평면 거울을 사용하는 경우에는 128이다.
상기 수학식 2에 의해, 제1 축보드(614a)에서 연산된 제1 위치값(Y1)과, 제2 축보드(614b)에서 연산된 제2 위치값(Y2)과, 제3 축보드(614c)에서 연산된 제3 위치값(X1)은 각각 상기 연산 장치(62)에 입력된다.
상기 연산 장치(62)는, 상기 제1, 제2 및 제3 축보드(614a, 614b, 614c)에서 각각 연산된 제1, 제2 및 제3 위치값(Y1, Y2, X1)을 입력받아서, 가동 부재(310)의 현재 위치값 및 현재 회전값을 연산한다.
상기 현재 위치값중, X축 상의 현재 위치값(Xr)은 상기 제3 위치값(X1)이고, Y축 상의 현재 위치값(Yr)은 아래의 수학식 3에 의해 연산된다.
그리고, 현재 회전값(Ar)은 아래의 수학식 4에 의해 연산된다.
여기서, D는 가동 부재(310)의 Y축상에 수직인 측면에 부착된 거울에서, 제1 및 제2 인터페로미터(612a, 612b)로부터의 레이저 광을 각각 반사시키는 두 지점 사이의 거리이다.
이와 같이, 가동 부재(310)의 X축 및 Y축 상의 현재 위치값(Xr, Yr) 및 현재 회전값(Ar)이 구해지면, 위치 오차값, 회전 오차값 그리고 목표 가속도값을 연산한다.
X축 상의 위치 오차값(Xerr)은 X축 상의 목표 위치값(Xd)에서 현재 위치값(Xr)을 뺀 값이며, Y축 상의 위치 오차값(Yerr)은 Y축 상의 목표 위치값(Yd)에서 현재 위치값(Yr)을 뺀 값이다. 회전 오차값(Aerr)은 목표 회전값(Ad)에서 현재 회전값(Ar)을 뺀 값이다. 그리고, 목표 가속도값은 XY-스테이지의 실 가감속 구간에서의 오차를 감소시키기 위한 목표 위치값에 대한 실 가속도값으로서, X축 상의 목표 가속도값(Xacc)은 X축 상의 목표 위치값(Xd)을 시간에 대해 두 번 미분한 값이며, Y축 상의 목표 가속도값(Yacc)은 Y축 상의 목표 위치값(Yd)을 시간에 대해 두 번 미분한 값이다.
연산 장치(62)에서 연산된 X축 상 및 Y축 상의 위치 오차값(Xerr, Yerr)와, 목표 가속도값(Xacc, Yacc)은 오차 보상부(63)에 입력된다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 오차 보상부(63)는 입력된 오차값들에 소정의 제어를 수행하여 상기 오차를 보상한다.
도 7은 상기 오차 보상부(63)의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 7을 참조하면, 오차 보상부(63)는 제1, 제2 및 제3 디지털/아날로그 변환기(631a, 631b, 631c)와, 제1 및 제2 PID 제어기(632a, 632b)와, 가산기(633)를 포함하여 구성된다.
제1 디지털/아날로그 변환기(631a)는 연산 장치(62)로부터의 목표 가속도값(Xacc또는 Yacc)을 디지털 신호에서 아날로그 신호로 변환하여 출력하며, 제2 디지털/아날로그 변환기(631b)는 연산 장치(63)로부터의 위치 오차값(Xerr또는 Yerr)을 디지털 신호에서 아날로그 신호로 변환하여 출력하며, 그리고 제3 디지털/아날로그 변환기(631c)는 연산 장치(62)로부터의 회전 오차값(Aerr)을 디지털 신호에서 아날로그 신호로 변환하여 출력한다. 상기 제1 PID 제어기(632a)는 제2 디지털/아날로그 변환기(631b)로부터 출력되는 아날로그 형태의 위치 오차 신호에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행하며, 제2 PID 제어기(632b)는 제3 디지털/아날로그 변환기(631c)로부터 출력되는 아날로그 형태의 회전 오차 신호에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행한다. 그리고, 가산기(633)는 제1 디지털/아날로그 변환기(631a)로부터 출력되는 아날로그 형태의 목표 가속도 신호와, 제1 및 제2 PID 제어기(632a, 632b)의 출력값을 가산하여 출력한다.
도 8에는 상기 PID 제어기(632a)(632b)의 회로 구성의 일예를 나타내 보였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 두 개의 저항기(R2a, R4)로 이루어진 비례 회로와, 제1 연산 증폭기(81)를 사용하여 구성된 미분 회로와, 제2 연산 증폭기(83)를 사용하여 구성된 적분 회로가 순차적으로 연결된다.
상기 비례 회로에는 입출력 신호의 게인(gain)을 조정하기 위하여 가변 저항기 R2a가 삽입된다. 즉, 상기 비례 회로에서의 입출력 전압인 전압 V1과 Vi와의 관계는 아래의 수학식 5와 같다.
여기서, R2a는 가변 저항을 나타내며, R2m은 R2a의 최대 저항값을 나타낸다.
상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 비례 회로에서의 이득은 가변 저항, R2a에 의해 조정된다.
상기 미분 회로에는, 주파수 영역의 설정 및 이에 따른 게인 조정을 위하여 가변 저항기 R2b와 커패시터 C2가 삽입된다. 그리고, 상기 적분 회로에는, 저주파수대에서의 게인을 증가시키기 위하여 저항기 R9및 커패시터 C5가 삽입되며, 입력 신호의 크기가 0 또는 작은값을 갖더라도 일정한 크기의 신호를 출력시키기 위하여 다이오드, 저항기 R10, R11및 전원(V15)을 사용한 정전압 출력 회로와, 클램핑을 수행하기 위한 제너 다이오드들(83a, 83b)이 삽입된다. 이와 같은 미분 회로 및 적분 회로의 특징을 도 9 내지 도 12에 도시된 그래프를 참조하면서 보다 상세히 설명해 보기로 한다.
먼저, 미분 회로에서의 입출력 전압인 전압 Vi와 전압 V2와의 관계는 아래의 수학식 6과 같다.
여기서, R2b는 가변 저항기의 저항값을 나타낸다.
상기 수학식 6에 나타낸 바와 같이, 미분 회로의 게인은 가변 저항 R2b에 의해 조정되며, 이에 따라서 시스템 주파수 영역도 R2b에 의해 조정된다. 예컨대, 커패시터 C2가 0.33㎌이고, 저항 R5가 1㏀이고, 저항 R6이 3㏀이고, 저항 R7이 50㏀이고, 그리고 가변 저항 R2b가 0-10㏀의 값을 갖는 경우에, 상기 수학식 6에 나타낸 게인의 분모 부분(이하 T2)과, 분자 부분(이하 T1)을 계산하면 다음과 같다.
먼저, 가변 저항 R2b가 최소 저항값(0)을 갖는 경우는 T1과 T2가 최소값을 갖는 경우이다. 이 경우에 있어서, T1의 최소값(T1min)은 1.32×10-3s +1이 되며, 이에 따라 최대 저역 주파수(f1max)는 120.6Hz가 된다. 그리고, T2의 최소값(T2min)도 1.32×10-3s +1이 되며, 이에 따라 최대 고역 주파수(f2max)는 481.9Hz가 된다.
다음에, 가변 저항 R2b가 최대 저항값(10㏀)을 갖는 경우는 T1과 T2가 최대값을 갖는 경우이다. 이 경우에 있어서, T1의 최대값(T1max)은 21.13×10-3s +1이 되며, 이에 따라 최소 저역 주파수(f1min)는 7.5Hz가 된다. 그리고, T2의 최대값(T2max)도 21.13×10-3s +1이 되며, 이에 따라 최소 고역 주파수(f2min)는 43.9Hz가 된다.
도 9에는 이와 같이 설정된 시스템 주파수 특성을 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 여기서, 가로축은 주파수(f)를 나타내며, 세로축은 데시벨(dB)을 나타낸다. 도 9에 도시된 그래프에서, 앞서 설명한 바와 같이, R2b를 조정하여 주파수 대역을 이동할 수 있으며, 적절한 값의 C2를 사용함으로써 종전의 불안정한 -40dB 기울기(도면의 점선)를 안정적인 -20dB 기울기(도면의 실선)로 유지되도록 할 수 있다.
도 10에는 상기 가변 저항값 R2b와 커패시턴스 C2에 의해 설정되는 구동 주파수 영역을 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 가변 저항값 R2b와 커패시턴스 C2에 의해 게인이 변환된다. 즉, 기울기가 20dB인 최소 저역 주파수(f1min)와 기울기가 -20dB인 최소 고역 주파수(f2min)에서는 게인이 A로 결정되며, 기울기가 20dB인 저역 주파수(f1max)와 기울기가 -20dB인 최대 고역 주파수(f2max)에서는 게인이 상기 A보다 큰 A′로 결정된다.
한편, 도 11에는 도 8에 도시된 PID 제어기(632a)(632b)의 적분 회로에서 저항값 R9와 커패시턴스 C5에 의해 저주파수대(약 2-3Hz)에서의 게인 증가를 나타내 보인 그래프이다. 적분 회로에서의 출력 신호의 각진동수(ω)는 1/(R9C5)이며, 주파수(f3)는 ω/2π이다. 예컨대, 저항값 R9가 36㏀이고, 커패시턴스 C5가 0.22㎌인 경우에, 상기 각진동수(ω)는 126.26(radian/sec)이며, 주파수(f3)는 20.05Hz이다. 도 11에 도시된 그래프에서, 게인(도면의 실선)이 저주파수 영역(f3이하)에서 증가된 것을 알 수 있다.
도 12에는, 상기 정전압 출력 회로가 삽입된 적분 회로에 있어서의 출력 전압을 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 입력 전압(V2)이 0이더라도 정전압 출력 회로에 의해 일정한 크기의 전압(V)이 출력되며, 2개의 제너 다이오드(83a, 83b)로 이루어진 클램핑 회로에 의해 출력 전압의 크기가 제너 다이오드(83a, 83b)의 제너 전압 Vz로 제한된다.
이와 같이 출력 전압을 제한하는 내용을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 정전압 출력 회로의 출력 전압(V)은 전압 분배 방법을 사용하여 구하면 아래의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Vf는 다이오드(84, 85)의 문턱 전압(threshold voltage)이며, V15는 정전압원에서 공급되는 전압 크기이다.
예컨대, 다이오드(84, 85)의 문턱 전압(Vf)이 0.6V이고, 전원으로부터 공급되는 전압(V15)이 15V이고, 저항값 R10이 39㏀이고, 저항값 R11이 3.3㏀이면, 적분 회로로 입력되는 전압(V2)의 크기가 0이더라도 1.92V로 일정한 크기의 전압(V)이 적분 회로의 출력 전압(V3)로 출력된다. 이와 같이, 매우 작은 크기의 전압(크기가 0에 가까운 전압)이 입력되더라도, 일정한 크기의 전압(V)이 출력되므로, 폐쇄 루프 제어 시스템에서의 정착 시간(settling time)이 단축되며, 정지 특성이 향상되어 전체적인 시스템 안정성이 향상된다. 한편, 적당한 크기의 전압이 입력되는 경우에는, 정전압 출력 회로에 연결된 스위치(85)의 스위칭에 의해 제2 연산 증폭기(82)의 출력 전압이 출력된다.
이와 같이, PID 제어기(632a)(632b)로부터 출력된 신호는 제1 디지털/아날로그 변환기(631a)로부터 출력된 아날로그 형태의 목표 가속도 신호와 함께 가산기(633)에 입력된다. 그러면, 가산기(633)는 입력된 신호들을 가산하여 정현파 변환부(64)로 출력한다.
상기 오차 보상부(63)의 가산기(633)로부터의 출력 신호를 입력받은 정현파 변환부(64)는 상기 입력 신호를 기준 전압으로 사용하여, 목표 위치의 현재값을 위상으로 갖는 정현파 전압 명령 신호의 진폭을 제어하여 출력한다. 즉, XY-스테이지의 X축 인덕터(311, 312) 및 Y축 인덕터(313, 314)에 입력되는 정현파 신호의 진폭은 각각 아래의 수학식 8 및 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, Dx는 X축 방향의 위치 오차 신호에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행한 값이며, Dy는 Y축 방향의 위치 오차 신호에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행한 값이며, Xacc및 Yacc는 각각 X축 및 Y축의 목표 가속도값이며, Kp, Kd및 Ki는 각각 비례, 미분 및 적분 상수이다.
이와 같이, 정현파 변환부(64)에서 진폭이 결정된 정현파 전압 신호는 전류 명령 발생부(65)에 입력된다.
전류 명령 발생부(65)는, 상기 정현파 전압 신호를 전류 명령으로 변환하여 X축 인덕터(311, 312) 및 Y축 인덕터(313, 314)로 각각 입력하여 XY-스테이지를 구동한다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 XY-스테이지에 의하면, 리니어 스텝 모터를 사용하여 구현함으로써 기구적 마찰에 의한 오차를 최소화할 수 있고, 복수개의 인덕터를 적절히 배치함으로써 미소 회전이 가능하며, 또한 가동 부재가 한 쪽 방향으로 처지는 현상을 최소화함으로써 구동시 진동을 방지할 수 있다. 또한, 이와 같은 XY-스테이지의 현재값과 목표값을 비교하여 입력 신호의 진폭을 제어함으로써 정밀한 제어를 수행할 수 있다.

Claims (6)

  1. 인가된 전류의 방향에 따라 대응되는 방향의 자력을 발생시키는 인덕터를 가지며, X, Y축 방향의 리니어 스텝 운동 및 미소 회전 운동을 하는 가동 부재; 및
    상기 가동 부재의 하부에 위치되어 상기 가동 부재를 지지하는 것으로, 표면에는 상기 가동 부재의 X, Y축 방향의 리니어 스텝 운동 및 미소 회전 운동을 가능하게 하기 위한 다수의 돌기들이 상호 소정 간격을 두고 형성되어 있는 고정 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가동 부재는,
    상기 제어 전류의 방향에 따라 X축 방향으로의 이동력을 발생시키는 X축 인덕터; 및
    상기 제어 전류의 방향에 따라 Y축 방향으로의 이동력을 발생시키는 Y축 인덕터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지.
  3. 인가된 전류의 방향에 따라 대응되는 방향의 자력을 발생시키는 인덕터를 가지며 X, Y축 방향의 직선 운동 및 미소 회전 운동을 하는 가동 부재와, 상기 가동 부재를 지지하는 고정 부재를 구비하는 XY-스테이지의 제어 시스템에 있어서,
    상기 가동 부재의 X축 및 Y축상의 현재 위치값 및 현재 회전값을 검출하기 위한 검출부;
    상기 검출부로부터의 검출 신호에 의해 현재 위치값 및 현재 회전값을 연산하고, 상기 현재 위치값과 목표 위치값과의 편차인 위치 오차값과, 상기 현재 회전값과 목표 회전값과의 편차인 회전 오차값과, 목표 가속도값을 연산하여 출력하는 연산 장치;
    상기 위치 오차값 및 회전 오차값에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행하고, 상기 제어를 수행한 결과값에 상기 목표 가속도값을 가산하여 상기 오차를 보상하는 오차 보상부;
    상기 오차 보상부로부터의 출력값을 진폭으로 갖는 정현파 신호를 출력하는 정현파 변환부; 및
    상기 정현파 신호를 상기 전류 명령 신호로 변환하여 상기 가동 부재로 입력시키는 전류 명령 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 검출부는 레이저 인터페로미터 모듈이며,
    상기 레이저 인터페로미터 모듈은,
    레이저 광을 출사하는 레이저 헤드;
    상기 레이저 헤드로부터의 레이저 광을 상기 가동 부재의 Y축에 수직인 면에 출사하는 제1 및 제2 인터페로미터;
    상기 레이저 헤드로부터의 레이저 광을 상기 가동 부재의 X축에 수직인 면에 출사하는 제3 인터페로미터;
    상기 제1, 제2 및 제3 인터페로미터로부터 출사되어 상기 가동 부재의 각 측면에서 반사된 레이저 광을 각각 검출하여, 상기 검출된 레이저 광의 주파수를 증폭하여 출력하는 제1, 제2 및 제3 광검출부; 및
    상기 제1, 제2 및 제3 광검출부로부터의 출력 신호를 각각 펄스로 변환하여 카운팅한 후, 상기 카운팅값을 고려하여 상기 가동 부재의 각 반사면의 위치값을 연산하는 제1, 제2 및 제3 축보드;를 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    대기의 온도, 습도 및 기압의 변화에 따른 레이저 광의 파장 변화를 보상하기 위해 상기 변화량을 검출하는 에어 센서; 및
    상기 에어 센서로부터의 검출 신호에 따라 상기 파장 변화를 보상하기 위한보상 계수값을 출력하는 대기 변화 보상부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 제어 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 오차 보상부는,
    상기 연산 장치로부터의 목표 가속도값을 아날로그 신호로 변환하여 출력하는 제1 디지털/아날로그 변환기;
    상기 연산 장치로부터의 위치 오차값을 아날로그 신호로 변환하여 출력하는 제2 디지털/아날로그 변환기;
    상기 연산 장치로부터의 회전 오차값을 아날로그 신호로 변환하여 출력하는 제3 디지털/아날로그 변환기;
    상기 제2 디지털/아날로그 변환기로부터 출력되는 아날로그 형태의 위치 오차 신호에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행하는 제1 PID 제어기;
    상기 제3 디지털/아날로그 변환기로부터 출력되는 아날로그 형태의 회전 오차 신호에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행하는 제2 PID 제어기; 및
    상기 제1 디지털/아날로그 변환기로부터 출력되는 아날로그 형태의 목표 가속도 신호와 상기 제1 및 제2 PID 제어기의 출력값을 가산하는 가산기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝 모터를 이용한 XY-스테이지의 제어 시스템.
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