KR100385361B1 - 위치제어장치용 스테이션 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위치제어장치용 스테이션에 관한 것으로서, 본 발명은 베이스의 상부에 X방향과 Y방향으로 이동가능하게 설치되는 XY 플레이트와, 상기 XY 플레이트와 결합되며, 상기 X 방향에 대하여 소정 경사각도를 갖도록 배치되는 제1액튜에이터와, 상기 XY플레이트와 결합되며, 상기 Y 방향에 대하여 소정 경사각도를 갖도록 배치되는 제2액튜에이터를 포함하여 구성되어, 상기 제1액튜에이터 및 상기 제2액튜에이터가 동시에 동작하여 상기 XY 플레이트를 X 방향 또는 Y 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 위치제어장치용 스테이션을 제공한다.

Description

위치제어장치용 스테이션{station for position control equipment}

본 발명은 위치제어장치용 스테이션에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대상물을 소정 위치에 정확히 이동시키는 위치제어장치용 스테이션에 관한 것이다.

근래에는 생산성을 향상시키기 위하여 가공공정, 조립공정, 검사공정 등을 자동화하고 있다. 자동화 공정에서는 각종 자동화기기들이 사용되는데, 이러한 자동화기기의 핵심 장치 중의 하나가 위치제어장치이다. 위치제어장치는 대상물을 소정 위치 예를 들어 조립위치, 검사위치 등에 자동으로 정확히 이동시키는 장치이다. 일반적으로 위치제어장치는 고정밀도가 요구되며, 특히 TFT-LCD같은 평판 디스플레이(FPD : flat panel display)를 검사하는 FPD 검사장치(FPD inspection eqipment)에 사용되는 위치제어장치용 스테이션은 고정밀도가 요구된다. 왜냐하면, 근래에는 고해상도를 얻기위하여 TFT-LCD의 피치가 작아지므로(약 50㎛이하), 이에 따라 이를 검사하는 검사장치 및 검사장치에 검사대상물을 이동시키는 스테이션도도 고정밀도가 요구되기 때문이다.

일반적으로 검사장치에서 사용되는 스테이션에서는 검사 대상물 또는 검사 대상물을 가지는 작업 테이블이 놓여지는 테이블의 베이스를 기준으로 X 방향, Y 방향, Z 방향 및 θ 방향으로 이동시키게 된다. 따라서, 테이블 위에 놓여진 검사대상물을 검사장비의 검사위치에 정확히 정렬하게 된다. 따라서 검사장비에 사용되는 스테이션은 정렬 스테이지(alignment stage)라고도 한다.

도 1을 참조하여, 종래의 적층방식 스테이션을 설명하면 다음과 같다.

베이스(1)의 상부에는 X 유닛(3)이 설치되며, X 유닛(3)의 상부에는 Y 유닛(5) 및 θ 유닛(7)이 순차적으로 설치된다. 그리고 Z 유닛(미도시)은 별도로 설치되는 것이 일반적이다. 따라서, 컨트롤러의 제어신호를 받아서 X 유닛(3), Y 유닛(5), θ 유닛(7)이 각각 X 방향, Y방향, θ 방향으로 운동함으로써 대상물(W)이 놓여지는 테이블(9)이 소정 위치에 이동하게 된다. 물론 X 유닛(3), Y 유닛(5) 및 θ 유닛(7)은 액튜에이터(미도시)에 의하여 이동되며, 상기 액튜에이터는 컨트롤러(미도시)의 제어를 받게 된다.

그러나, 상술한 적층방식에서는 X 유닛(3), Y 유닛(5) 및 θ 유닛(7)이 순차적으로 적층되어 있으므로 베이스(1)와 테이블(9) 사이의 높이가 비교적 크다. 따라서, 스테이션의 높이 제한이 별로 없는 장치에 상기 스테이션이 사용되는 경우에는 그다지 문제가 되지 않지만, 높이 제한을 받는 장비 예를 들어 TFT-LCD 점등검사기(TFT-LCD Gross tester)에 사용하기는 곤란하다는 단점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 X 유닛, Y 유닛 및 θ 유닛을 일평면(一平面)에 배치하는 방식의 스테이션(이하 "일평면형"이라함)이 제안되었다. 이를 도 2 및 도 3을 참조하여, 설명하면 다음과 같다.

베이스(1)와 테이블(9)의 사이에는 XYθ 유닛(10)이 설치된다. 즉, 상기 XYθ유닛(10)은 적층방식의 X 유닛, Y 유닛 및 θ 유닛의 역할을 동시에 하게 된다.

상세히 설명하면, 테이블(1)의 하부에 결합된 테이블 안내부(18)에는 상기 테이블(1)을 X 방향, Y 방향 및 θ 방향으로 이동시키는 3개의 액튜에이터가 설치된다. 2개의 액튜에이터 즉 V 액튜에이터(12) 및 W 액튜에이터(14)를 평행하게 배치되고, 상기 액튜에이터(12, 14)와 직교하도록 U 액튜에이터(16)가 배치된다. 이러한 방식에서는 베이스(9)와 테이블(1) 사이의 높이를 효과적으로 줄일 수 있다.

그러나, 상술한 종래의 스테이션은 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 일평면형에서는 X 방향 또는 Y 방향의 제어는 비교적 간단하지만 θ 방향의 제어는 대단히 어렵다는 단점이 있다. 왜냐하면, 이 방식에서는 테이블(9)을 θ 방향으로 제어시에 직접 테이블(9)을 θ 방향으로 회전시켜주는 것이 아니고, V 액튜에이터(12), W 액튜에이터(14) 및 U 액튜에이터(16)를 동시에 적절히 제어하여 이들의 운동의 벡터합을 이용하여 테이블(9)을 회전시켜주기 때문이다. 즉, 원하는 테이블(9)의 회전량을 얻기 위한 각각의 액튜에이터(12, 14, 16)의 직선운동량을 계산하기가 쉽지 않다. 또한 3개의 액튜에이터(12, 14, 16)가 연동하여 테이블(9)을 회전시켜 주므로 이들의 운동중심이 정확히 일치하지 않으면 테이블(9)의 실제 회전량이 계산된 회전량과 다르게 될 가능성이 크다.

둘째, 검사대상물(W)이 고하중인 경우에는 각 방향의 이동을 담당하는 모든 액튜에이터의 정격 출력이 커야 하고, 또한 볼 스크루에 같은 각종 부품들도 고하중에 변형이 적은 것을 선정하여야 한다. 따라서 필연적으로 액튜에이터 등의 크기가 커져서 스테이션의 높이가 커진다는 단점이 있다. 또한 검사시에 검사대상물(W)에 접촉되는 검사장비의 프로브(probe)의 접촉 하중(contact force)이 큰 경우에도동일한 문제점이 발생한다.

셋째, 종래의 스테이션에서는 테이블을 X 방향으로 이동시키는 액튜에이터는 X축에 평행하며, Y 방향으로 이동시키는 액튜에이터는 Y축에 평행하게 설치된다. 그런데, 통상 FPD 검사장치에 사용되는 스테이션은 통상 수평에 대하여 약 60도 경사지게 된다. 따라서, 액튜에이터와 볼 스크루와 같은 운동변환수단들은 중력의 영향을 받게 되어 각종 오차가 발생하게 되므로 위치정밀도를 높이려면 이들 오차를 보상하여야 한다. 그러나, 종래의 스테이션에서는 X방향 제어용 액튜에이터 및 Y방향 제어용 액튜에이터가 받는 중력의 영향이 다르므로 이를 고려하여 액튜에어터의 운동을 각각 제어하여야 하고, 이러한 제어는 일반적으로 어려워 위치정밀도를 저하시킨다는 단점이 있었다.

넷째, 종래의 위치제어장치용 스테이션은 구조가 복잡하여 Z 유닛을 다른 유닛과 일체로 설치하기가 곤란하여, 통상 별개로 설치할 수 밖에 없어서 전체적인 구조가 복잡해진다는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 액튜에이터의 제어가 간단하면서도 위치제어의 정밀도을 향상시킬 수 있는 위치제어장치용 스테이션을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 구조가 간단하고, 고하중 및 편하중에 대한 효율적으로 대응할 수 있는 위치제어장치용 스테이션을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 베이스의 상부에 X방향과 Y방향으로 이동가능하게 설치되는 XY 플레이트와, 상기 XY 플레이트와 결합되며, 상기 X 방향에 대하여 소정 경사각도를 갖도록 배치되는 제1액튜에이터와, 상기 XY플레이트와 결합되며, 상기 Y 방향에 대하여 소정 경사각도를 갖도록 배치되는 제2액튜에이터를 포함하여 구성되어, 상기 제1액튜에이터 및 상기 제2액튜에이터가 동시에 동작하여 상기 XY 플레이트를 X 방향 또는 Y 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 위치제어장치용 스테이션을 제공한다.

또한, 상기 위치제어장치용 스테이션은 θ방향으로 회전가능한 θ 유닛 및 Z 방향으로 운동하는 Z 유닛을 더욱 포함하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 따르면, 복잡한 계산없이도 위치제어 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 고하중 및 편하중에 대한 효율적으로 대응할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 위치제어장치용 스테이션을 도시한 개념도

도 2는 종래의 위치제어장치용 스테이션의 다른 예를 도시한 개념도

도 3의 도 2의 XYθ 유닛을 도시한 평면도

도 4는 본 발명에 따른 위치제어장치용 스테이션을 도시한 개념도

도 5는 본 발명에 따른 위치제어장치용 스테이션의 실시예를 개략적으로 도시한 평면도

도 6은 도 5의 측면도

도 7은 본 발명에 따른 위치제어장치용 스테이션의 XY 유닛의 동작 원리를 도시한 동작원리도

도 8은 본 발명에 따른 위치제어장치용 스테이션의 θ 유닛의 동작 원리를 도시한 동작원리도

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

30 : 베이스 40 : 테이블

50 : XY 유닛 52 : 제1액튜에이터

54 : 제2액튜에이터 51 : XY 플레이트

60 : θ 유닛 61 : θ 플레이트

62 : θ 액튜에이터 70 : Z 유닛

71 : Z 플레이트 72 : Z 액튜에이터

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면를 참조하여 설명한다.

먼저, 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 위치제어장치용 스테이션의 개념을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 스테이션은 XY 유닛(50), θ 유닛(60) 및 Z 유닛(70)으로 구성되며, 상기 XY 유닛(50)이 X 방향 및 Y 방향으로 테이블(40)을 이동시켜주는 역할을 하게 된다. 여기서, 상기 XY 유닛(50)을 X 방향 및 Y 방향으로 테이블(40)을 이동시켜주는 제1액튜에이터와 제2액튜에이터는 동일평면에 배치된다.

그리고, Z 유닛(70)은 XY 유닛(50) 및 θ 유닛(60)과 일체로 설치되는 것이바람직하다.

도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 스테이션의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

베이스(30)의 상부에는 X 방향 및 Y 방향으로 이동가능하도록 XY 플레이트(51)가 설치된다. 여기서, XY 플레이트(51)는 베이스(30)에 대하여 소정각도 경사지게 설치되며, 상기 XY 플레이트(51)에는 제1액튜에이터(52) 및 제2액튜에이터(54)가 결합된다.

제1액튜에이터(52)는 수평축(X축)에 대하여 소정 각도 경사진 상태로 설치되며, 제2액튜에이터(54)는 수직축(Y축)에 소정 각도 경사진 상태로 설치된다. 즉, 본 발명에서는 종래처럼 X방향 이동용 액튜에이터 및 Y방향 이동용 액튜에이터가 각각 X 방향 및 Y 방향으로 테이블을 이동시키는 것이 아니고, 제1액튜에이터(52) 및 제2액튜에이터(54)가 동시에 작동하여 테이블(40)을 X 방향 또는 Y 방향으로 이동시키게 된다.(이에 대한 효과는 후술함)

한편, XY 플레이트(51)의 상부에는 θ 방향으로 회전가능하도록 θ 플레이트(61)가 설치되며, 상기 θ 플레이트(61)에는 θ 액튜에이터(62)가 결합된다. 그리고, 테이블(40)의 하부에는 Z 플레이트(71)가 상하로 이동가능하게 설치되며, 상기 Z 플레이트(71)에는 Z 액튜에이터(72)가 결합된다.

한편 고정밀도 위치제어를 하기 위하여, 제1액튜에이터(52) 및 제2액튜에이터(54)는 모터와, 상기 모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 운동변환수단 예를 들어 볼 스크루(ball screw)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 도 8에 도시한 바와 같이, θ 액튜에이터는 모터(62)와, 상기 모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 운동변환수단과 상기 직선운동을 회전운동으로 변환하는 수단을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상세히 설명하면, 모터(62)의 축은 커플링(62a)을 이용하여 볼 스크루(64)에 결합된다. 그리고, 볼 스크루(64)에는 상기 볼 스크루가 회전함에 따라 직선운동하는 홀더(64a)가 결합되며, 상기 홀더(64a)에는 직선운동을 회전운동으로 변환시키는 링크기구(68)가 결합된다. 상기 링크기구(68)는 홀더에 결합되는 링크(66)와, 일단은 상기 링크(66)에 결합되며 타단은 θ 플레이트(61)의 중심에 결합되는 크랭크(67)로 구성된다.

도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 스테이션의 동작을 설명한다.

본 발명에서는 제1액튜에이터(52)는 수평축(X축)에 대하여 소정 각도 경사진 상태로 설치되며, 제2액튜에이터(54)는 수직축(Y축)에 대하여 소정 각도 경사진 상태로 설치된다. 여기서, 제1액튜에이터(52)와 제2액튜에이터(54)는 각각 X축 및 Y축에 대하여 45도 경사지게 설치되어, 양 액튜에이터의 사이의 각도는 90도인 것이 바람직하다.

종래에는 테이블을 X 방향 또는 Y 방향으로 이동시킬때 X방향 액튜에이터 또는 Y방향 액튜에이터를 각각 이용하였지만, 본 발명에서는 제1액튜에이터(52) 및 제2액튜에이터(54)를 동시에 이용하여 테이블을 X 방향 또는 Y 방향으로 이동시키게 된다.

상세히 설명하면 다음과 같다.

수평축 및 수직축이 각각 X축 및 Y축, 제1액튜에이터가 설치된 좌표축 및 제2액튜에이터가 설치된 좌표축을 각각 X'축 및 Y'축, X축 및 Y축과 X'축 및 Y'축 사이의 각도를 θ1이라고 한다.

그러면, 이동하려는 X축 및 Y축 상의 거리가 x, y일 때 이에 상당하는 X'축 및 Y'축 상의 거리 x', y'의 관계는 다음과 같다.

x'=xCOSθ1 + ySINθ1, y'=-xSINθ1 + yCOSθ1

따라서, 상기 식을 이용하여 x', y'를 계산하여 이를 이용하여 제1액튜에이터(52) 및 제2액튜에이터(54)를 제어하면 테이블을 원하는 위치로 용이하게 이동시킬 수 있게 된다.

한편, 도 8에 도시한 바와 같이, θ 방향의 운동의 경우에도 기구학적 방식으로 원하는 테이블의 회전각(θ3)을 모터의 회전각(θ2)으로 계산할 수 있으므로 이를 이용하여 모터(62a)를 제어하면 되므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 스테이션의 성능을 시험하기 위하여 9일간의 무부하운전(idling running)후에 XY축, Z축 및 θ축에서의 반복정밀도(repeatibility)를 측정하였다. 그 결과 반복정밀도가 1-10회 운전시에는 ±0.28㎛(XY축), ±0.5㎛(Z축), ±0.01도(θ축)이었고, 11-20회 운전시에는 ±0.25㎛(XY축), ±0.7㎛(Z축), ±0.15도(θ축)이었고, 21-30회 운전시에는 ±0.18㎛(XY축), ±0.7㎛(Z축), ±0.10도(θ축)이었다. 즉, 높은 정밀도가 요구되는 TFT-LCD 검사장치용 스테이션의 설계 목표치인 ±1㎛(XY축), ±2㎛(Z축), ±2도(θ축)을 만족하였다.

그리고, 유한요소해석법(FEM)에 의한 구조해석의 결과 변형량이 목표치인 75㎛(XY축), 15㎛(Z축)을 만족하였다. 또한, 볼 스크루의 백 래시 등에 의한 운동손실(lost motion)도 불과 1㎛로 목표치인 4㎛를 만족하였다.

또한, 정격토크에 대한 운전중 모터의 토크의 비는 하중이 80kg인 경우에 50%(X축), 41%(Y축), 57%(Z축), 6%(θ축)이었고, 하중이 140kg인 경우에 64%(X축), 45%(Y축), 72%(Z축), 12%(θ축)이었다. 따라서, 모터 및 기타 관련 부품의 수명을 연장시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

상기에서 본 발명은 하나의 실시예만을 설명하였으나, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다는 것을 이해할 것이다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 위치제어장치용 스테이션의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명에 의하면 복잡한 계산없이도 2개의 액튜에이터를 동시에 작동시켜 테이블을 X 방향 또는 Y 방향으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 1개의 액튜에이터로 테이블을 X 방향 또는 Y 방향으로 이동시키는 종래의 스테이션에 비하여 적은 출력의 액튜에이터를 사용하는 것이 가능하다. 따라서, 액튜에이터의 크기도 줄일 수 있으므로 베이스와 테이블 사이의 높이를 효과적으로 줄일 수 있게 된다.

또한, 동일한 크기의 액튜에이터를 사용한다면 고하중에 견딜 수 있으며, 더 나아가 2개의 액튜에이터를 대칭되게 배치시킴으로써 편하중에 효율적으로 대처할수 있게 된다.

둘째, 위치제어의 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 특히 테이블이 수평에 대하여 소정각도로 경사지게 배치되는 경우에 효율적으로 정밀도를 향상시킬 수 있다. 왜냐하면, 고정밀이 요구되는 스테이션에서는 테이블이 경사진 경우에는 중력에 의한 오차가 매우 중요한 인자가 된다.

그런데, 종래 기술의 문제점에서 설명한 바와같이, 종래의 스테이션에서는 그 구조상 X방향 액튜에이터 및 Y방향 액튜에이터가 수평에 대한 설치각도가 다르므로 서로 중력에 의하여 발생가능한 오차가 다르므로 이를 구별하여 정확히 보정하는 것이 어려웠다.

그러나, 본 발명에서는 제1액튜에이터 및 제2액튜에이터가 수평에 대하여 동일한 설치각도를 가지므로 중력에 의한 오차가 동일하고 따라서 이를 정확히 보정하는 것이 가능하다. 결국 정확한 위치제어가 가능하다.

셋째, 본 발명에 따른 위치제어장치용 스테이션은 종래에 비하여 구조가 비교적 간단하므로 Z 유닛을 일체화하는 것이 가능하므로 전체적으로 구조가 간단해진다는 이점이 있다. 또한, 전체적으로 비교적 구조가 간단하므로 제조비용 및 유지보수 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 베이스의 상부에 X방향과 Y방향으로 이동가능하게 설치되는 XY 플레이트와;

   상기 XY 플레이트와 결합되며, 상기 X 방향에 대하여 소정 경사각도를 갖도록 배치되는 제1액튜에이터와;

   상기 XY플레이트와 결합되며, 상기 Y 방향에 대하여 소정 경사각도를 갖도록 배치되는 제2액튜에이터를 포함하여 구성되어,

   상기 제1액튜에이터 및 상기 제2액튜에이터가 동시에 동작하여 상기 XY 플레이트를 X 방향 또는 Y 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 위치제어장치용 스테이션.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1액튜에이터의 X 방향에 대한 경사각도는 45도이고, 제 2액튜에이터의 Y 방향에 대한 경사각도는 45도인 것을 특징으로 하는 위치제어장치용 스테이션.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1액튜에이터 및 상기 제2액튜에이터는 모터와, 상기 모터의 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 운동변환수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 위치제어장치용 스테이션.
4. 제1항에 있어서, 상기 위치제어장치용 스테이션은 θ방향으로 회전가능한 θ 유닛을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 위치제어장치용 스테이션.
5. 제4항에 있어서, 상기 θ 유닛은 모터와, 상기 모터의 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 볼 스크루와, 상기 볼 스쿠루의 직선운동을 회전운동으로 변환하는 링크기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치제어장치용 스테이션.
6. 제4항에 있어서, 상기 위치제어장치용 스테이션은 Z 방향으로 운동하는 Z 유닛을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 위치제어장치용 스테이션.