KR100768620B1 - 회전 측정용 전기적 용량 센서 - Google Patents

회전 측정용 전기적 용량 센서 Download PDF

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KR100768620B1 KR1020060031293A KR20060031293A KR100768620B1 KR 100768620 B1 KR100768620 B1 KR 100768620B1 KR 1020060031293 A KR1020060031293 A KR 1020060031293A KR 20060031293 A KR20060031293 A KR 20060031293A KR 100768620 B1 KR100768620 B1 KR 100768620B1
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Abstract

본 발명은 마주보는 대상 구조물들의 평면방향의 병진 움직임들과 상관없이 두 시스템 구조물 간의 상대적 요우(yaw) 방향 회전각을 측정하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명은, 교류 전원을 공급하는 교류 전원부와, 상기 교류 전원에 의해 전기장 전극을 발생하는 전기장 발생부와, 상기 발생된 전기장 전극에 대응하는 전기장 대응부와, 상기 전기장 발생부 및 전기장 대응부 사이에서 전기적 용량 변화를 확인하기 위해 전기적 신호로 변환하여 출력하는 신호 검출부를 포함한다. 따라서, 시스템의 수평운동과 관계없이 시스템의 요우 방향의 회전을 측정할 수 있다. 또한, 본 발명은 회전 중심 및 초기 위치에 영향을 받지 않으므로 센서 초기 위치 설정에 큰 어려움을 갖지 않으며, 센서에 포함된 두 평판의 전극 교차각을 작게하고 다수의 전극을 포함시켜 민감도를 향상시킬 수 있으며, 기판에 전극의 패턴을 새김으로 손쉽게 본 발명의 제작이 가능하며, 또한 MEMS 공정으로 제작이 가능하므로 MEMS 구조물에 센서를 추가하기 용이하다는 효과가 있다.
교류 전원, 전기장, 센서

Description

회전 측정용 전기적 용량 센서{ELECTRICITY CAPACITIVE SENSOR FOR YAW MEASUREMENT}
도 1은 본 발명에 따른 회전 측정용 전기적 용량 센서를 정면에서 바라본 구성도,
도 2a는 사각형 전도성 단자를 도시한 도면,
도 2b는 평행사변형 형태를 갖는 사각형 전도성 단자를 도시한 도면,
도 2c는 도 1에 도시된 전기장 발생부 및 전기장 대응부 각각에 포함된 사각형 전도성 단자가 서로 교차하도록 배치되어 도면,
도 3은 본 발명에 따른 민감도를 향상시키기 위해 사각형 전도성 평판들을 다수로 배열시킨 도면,
도 4는 본 발명에 따른 절연물질이 증착된 회전 측정용 전기적 용량 센서를 도시한 도면.
본 발명은 회전 측정용 전기적 용량 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마주보는 대상 구조물들의 평면방향의 병진 움직임들과 상관없이 두 시스템 구조물 간의 상대적 요우(yaw) 방향 회전각을 측정할 수 있는 센서에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 회전 변위를 측정하는 전기적 용량 센서는 회전 엔코더형 전기적 용량 센서가 있다. 이러한 전기적 용량 센서는 센서가 설치된 평판에 수직한 방향을 축으로 회전하는 회전각 및 회전수를 측정한다.
즉, 회전 평판 위에 배열된 전극의 조밀도에 따라 측정하는 회전각의 정밀도 역시 상승하나 회전축이 일정해야 하고 회전 평판에 나란한 방향의 위치 이동이 발생해서는 안된다는 제약 조건에 따라 주로 회전 구동기의 회전 변위 측정용 센서로 이용된다. 이에 관련된 기술은 1997년 IEEE의 Baxter의 "Capacitive sensors"에 자세하게 설명되어 있다.
한편, 산업체에 이용되는 정밀 장비들은 다양한 기계적 구조물들로 이루어져 있으며 각 구조물들은 작업 역할에 따라 동적 움직임을 가질 수 있다. 예컨대, 반도체나 혹은 MEMS 구조물을 만들기 위해 이용되는 마스크 aligner는 반도체 기판에 노광이 이루어지기 전 항상 마스크를 정확한 위치에 이송시키는 과정이 필요하다.
이러한 이송 과정 중에 마스크의 위치가 약간이라도 뒤틀려 있다면 반도체 공정이 제대로 이루어지지 않아 평면 방향의 선형 이송에 관한 오차의 경우, 선형 위치 제어 방법으로 쉽게 보정이 가능하나 요우(yaw) 방향, 즉 대상 구조물 평면에 수직한 방향의 축을 중심으로 회전하는 방향의 보정에 관한 해법에 대해서는 효과적인 방법이 보급되어 있지 않지만, 요우 오차의 보정은 중요하다.
즉, 선형 엔코더형 전기적 용량 센서는 전극 패턴을 가지는 평판들이 고정된 대상과 이송 가능한 대상에 마주보게 부착되어 이용되며, 이 센서가 높은 민감도를 가지기 위해 두 마주보는 기판에 포함되는 전극 격자들이 서로 나란하도록 두 평판이 정렬되어야 하나 요구되는 정밀도가 매우 높아 바른 정렬이 되지 않아 낮아지는 민감도를 감수해야 하는 상황이다.
다시 말하여, 기존의 요우 방향의 회전각 측정 도구로 회전 엔코더가 널리 알려져 있으며, 광학식 회전 엔코더와 전기 용량형 회전 엔코더로 분류될 수 있는 데, 이 두 종류 모두 대상 구조물들이 동일한 회전축을 가져야 하며, 구조물 평면 방향으로 병진 움직임이 발생해서는 안된다는 제약 조건이 따른다. 또한 많은 구조물들에 있어서 평면방향의 자유도를 가지면서도 회전에 대한 변위를 측정해야 할 필요성이 있다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로서, 그 목적은 마주보는 대상 구조물들의 평면방향의 병진 움직임들과 상관없이 두 시스템 구조물 간의 상대적 요우(yaw) 방향 회전각을 측정할 수 있는 회전 측정용 전기적 용량 센서를 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 회전 측정용 전기적 용량 센서는 교류 전원을 공급하는 교류 전원부와, 상기 교류 전원에 의해 전기장 전극을 발생하는 전기장 발생부와, 상기 발생된 전기장 전극에 대응하는 전기장 대응부와, 상기 전기장 발생부 및 전기장 대응부 사이에서 전기적 용량 변화를 확인하기 위해 전기적 신호로 변환하여 출력하는 신호 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시 예는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 기술 분야의 숙련자라면 이 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 잘 이해하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 회전 측정용 전기적 용량 센서를 정면에서 바라본 구성도로서, 전기장 발생부(101)와, 전기장 대응부(103)와, 교류 전원부(105)와, 신호 검출부(107)를 포함한다.
전기장 발생부(101)는 도 2a에 도시된 바와 같이 사각형 전도성 단자를 갖는 블록으로서, 교류 전원부(105)에 연결되어 전기장 전극을 발생하며, 이 사각형 전도성 단자 주위에는 그라운드(GND) 전극이 둘러 싸여있다. 여기서, 그라운드 전극은 전기장 발생부(101)의 주변에 존재하는 불필요한 전기장을 차단시키기 위한 것이다.
전기장 대응부(103)는 도 2b에 도시된 바와 같이 평행사변형 형태를 갖는 사각형 전도성 단자를 갖는 블록으로서, 신호 검출부(107)에 연결되어 전기장 발생부(101)에 의해 발생된 전기장 전극에 대응하며, 이 평행사변형 형태를 갖는 사각형 전도성 단자 주위에는 그라운드(GND) 전극이 둘러 싸여있다. 여기서, 그라운드 전극은 전기장 대응부(103)의 주변에 존재하는 불필요한 전기장을 차단시키기 위한 것이다.
교류 전원부(105)는 전기장 발생부(101) 및 전기장 대응부(103) 사이에서 전기적 용량 변화에 따라 신호를 발생시킬 수 있도록 교류 전원을 공급하는 블록으로서, 전기장 대응부(103)의 이동에 의해 변위 발생시 전기적 신호가 출력될 수 있도록 에너지 저장 및 에너지 송출을 수행한다. 여기서, 교류 전원을 이용하는 이유는 전기장 발생부(101)와 전기장 대응부(103) 간의 단락(short)된 사각형 전도성 단자 사이에서 전류의 지속적인 흐름을 만들기 위해 사용한다.
신호 검출부(107)는 전기장 발생부(101) 및 전기장 대응부(103) 사이에서 전기적 용량 변화를 이용자가 쉽게 확인할 수 있도록 전기적 신호로 변환하여 출력하는 블록으로서, 구동기(도시되지 않음)의 동작으로 전기장 대응부(103)의 이동에 의해 변위 발생시 이 발생된 변위에 따라 변화하는 전기적 용량을 이용자가 확인할 수 있는 전기적 신호로 변환하여 출력한다. 또한, 신호 검출부(107)는 전기적 용량 변화를 전압 크기나 전류 크기의 변화, 혹은 출력되는 신호의 주파수 변화 등 다양한 전기적 신호 변화로 출력할 수 있다. 더불어 신호 검출부(107)는 신호 판별의 용이성을 위해 신호 증폭, 필터링, 변조/복조 등의 다양한 전기적 기법을 사용하여 출력한다.
여기서, 전기장 발생부(101)에 포함된 사각형 전도성 단자와, 전기장 대응부(103)에 포함된 평행사변형 형태를 갖는 사각형 전도성 단자가 도 2c에 도시된 바와 같이 서로 교차(예컨대, "+" 형태) 배치되어 있으며, 도 1에 도시된 외부적 요소인 특정 시스템(A) 혹은 시스템(B)이 센서 평면의 수직한 축을 기준으로 회전할 때 이 회전량에 대응하는 전기적 신호를 신호 검출부(107)에서 출력한다. 그리고, 상술한 바와 같이 설명된 사각형 전도성 단자는 복수개로 나열되어 있다.
상기와 같이 설명된 구성을 바탕으로, 본 발명에 따른 회전 측정용 전기적 용량 센서의 동작 과정에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 전기장 발생부(101) 및 전기장 대응부(103) 각각에 포함된 사각형 전도성 단자간의 관계는 외부적 요소인 특정 시스템(A) 혹은 시스템(B)의 요우(yaw) 회전에 따라 전도성 평판의 겹치는 면적이 변화하는 원리를 이용한다.
즉, 마주보는 사각형 전도성 단자간의 전도성 패턴 평판 사이의 근사한(approximated) 전기적 용량(C)을 수학식 1과 같이 표현한다. 다시 말하여 전도성 패턴 평판의 면적(A)을 변화시켜 전기장 발생부(101) 및 전기장 대응부(103)에서의 전기적 용량을 달라지게 하는 원인이 된다.
Figure 112006024038670-pat00001
여기서, C는 마주보는 사각형 전도성 단자간의 전도성 패턴 평판 사이의 전기적 용량이고, ε는 마주보는 사각형 전도성 단자간의 전도성 패턴 평판 사이의 유전율이며, A는 마주보는 사각형 전도성 단자간의 전도성 패턴 평판의 겹침 면적이며, d는 마주보는 사각형 전도성 단자간의 전도성 패턴 평판 사이의 간격이다.
다음으로, 도 2b를 참조하면, 전기장 대응부(103)에 포함된 사각형 전도성 평판은 평행사변형 형태로 인접한 두 변이 수직하지 않은 데 그 이유는 회전각 측정의 민감도를 높이기 위한 것이다. 또한 전기장 대응부(103)에 포함된 사각형 전도성 평판들을 점대칭으로 다수 배열하고 전기장 발생부(101)에도 전기장 대응 부(103)의 사각형 전도성 단자들이 교차할 수 있게 전기장 발생 사각형 전도성 평판들을 추가한다면 이 또한 민감도를 향상시킬 수 있다.
전기장 발생부(101)에 포함된 사각형 전도성 평판와 전기장 대응부(103)에 포함된 사각형 전도성 평판 사이의 요우(yaw) 발생각(θy)에 대응하는 전기적 용량 Cy는 수학식 2a,2b로부터 얻을 수 있다.
Figure 112006024038670-pat00002
,
Figure 112006024038670-pat00003
여기서, ay, by는 전기장 대응부(103) 내에 포함된 사각형 전도성 단자의 폭과 길이이고, sin(ay)내의 ay는 사각형 전도성 단자의 두 면이 이루는 사이 각이며, θy는 요우 회전각의 방향이며, 또한 수학식 2a,2b로부터 얻을 수 있는 발생된 전기장 전극과 대응된 전기장 전극 간의 겹침 면적(A)은 전기장 발생부(101)와 전기장 대응부(103) 각각의 수평이동에 전혀 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명에 따른 민감도를 향상시키기 위해 사각형 전도성 평판들을 다수로 배열시킨 도면으로서, 도 1에 도시된 전기장 대응부(103)에 포함된 각각의 사각형 전도성 평판에 대응되도록 전기적 용량을 Cy1, Cy2, Cy3, Cy4로 정의 한 다음에, 도 1에서의 시스템(A) 혹은 시스템(B)에 의해 초기 위치와 다른 요우(yaw) 방향의 오차가 발생할 때, 도 1에서의 전기장 발생부(101) 및 전기장 대응부(103) 간의 요우(yaw) 발생각(θy)에 대응하는 전체 전기적 용량 CR은 수학식 3을 통해 얻을 수 있다.
Figure 112007054396514-pat00004
(여기서, Cy1, Cy2, Cy3, Cy4는 4개로 배열된 평행사변형 형태를 갖는 사각형 전도성 평판 각각의 전기적 용량임)
이후, 수학식 2a,2b를 수학식 3에 각각 대입하면,수학식 4a,4b
Figure 112006024038670-pat00005
,
Figure 112006024038670-pat00006
(여기서, cos(ay)내의 ay 는 사각형 전극의 두 면이 이루는 사이 각)
와 같다.
또한, 수학식 4b에 있어서, 요우(yaw) 발생각(θy)가 0일 때에는 테일러 시리즈에 의해 수학식 5
Figure 112006024038670-pat00007
(여기서, cos(ay)내의 ay 는 사각형 전도성 단자의 두 면이 이루는 사이 각)
와 같이 된다.
여기서, 만약 θy가 0(예컨대, 요우(yaw) 오차가 매우 작게 발생)에 가까울 경우, 수학식 5의 2차항 이상 고차항들은 무시되어 수학식 5는 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure 112006024038670-pat00008
,(여기서, cos(ay)내의 ay 는 사각형 전극의 두 면이 이루는 사이 각)
여기서, 수학식 6을 통해 ay가 작아질수록 도 1에 도시된 센서는 보다 더 높은 민감도를 얻을 수 있다. 즉 도 1에서 전기장 발생부(101)와 전기장 대응부(103)에 속한 사각형 전도성 평판들이 교차할 때 그 교차각이 작게 센서의 사각형 전도성 평판의 형태를 설계하면 제안한 센서는 보다 높은 민감도를 얻을 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 절연물질(109)이 증착된 회전 측정용 전기적 용량 센서를 도시한 도면으로서, 이 센서는 전기장 발생부(101)와 전기장 대응부(103) 간의 간격이 일정할 때 그 활용이 유용한데, 만약 전기장 발생부(101) 및 전기장 대응부(103) 간의 간격이 일정하지 않으면, 전기장 발생부(101) 또는 전기장 대응부(103)의 표면에 일정한 두께의 절연물질(109)을 증착 또는 삽입한 후 서로 맞닿게 그 상태를 유지시키면 그 간격이 일정하게 유지된다.
따라서, 마주보는 대상 구조물들의 평면방향의 병진 움직임들과 상관없이 두 시스템(A,B) 구조물 간의 상대적 요우(yaw) 방향 회전각을 측정함으로써, 시스템의 수평운동과 관계없이 시스템의 요우 방향의 회전을 측정할 수 있다.
또한, 회전 중심 및 초기 위치에 영향을 받지 않으므로 센서 초기 위치 설정에 큰 어려움을 갖지 않으며, 센서에 포함된 두 평판의 전극 교차각을 작게하고 다수의 전극을 포함시켜 민감도를 향상시킬 수 있으며, 기판에 전극의 패턴을 새김으로 손쉽게 본 발명의 제작이 가능하며, 또한 MEMS 공정으로 제작이 가능하므로 MEMS 구조물에 센서를 추가하기 용이하다.
또한, 본 발명의 사상 및 특허청구범위 내에서 권리로서 개시하고 있으므로, 본 발명은 일반적인 원리들을 이용한 임의의 변형, 이용 및/또는 개작을 포함할 수 도 있으며, 본 명세서의 설명으로부터 벗어나는 사항으로서 본 발명이 속하는 업계에서 공지 또는 관습적 실시의 범위에 해당하고 또한 첨부된 특허청구범위의 제한 범위 내에 포함되는 모든 사항은 포함한다.
이상, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 마주보는 대상 구조물들의 평 면방향의 병진 움직임들과 상관없이 두 시스템 구조물간의 상대적 요우(yaw) 방향 회전각을 측정함으로써, 시스템의 수평운동과 관계없이 시스템의 요우 방향의 회전을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 회전 중심 및 초기 위치에 영향을 받지 않으므로 센서 초기 위치 설정에 큰 어려움을 갖지 않으며, 센서에 포함된 두 평판의 전극 교차각을 작게하고 다수의 전극을 포함시켜 민감도를 향상시킬 수 있으며, 기판에 전극의 패턴을 새김으로 손쉽게 본 발명의 제작이 가능하며, 또한 MEMS 공정으로 제작이 가능하므로 MEMS 구조물에 센서를 추가하기 용이하다는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 회전 측정용 전기적 용량 센서로서,
    교류 전원을 공급하는 교류 전원부와,
    상기 교류 전원에 의해 전기장 전극을 발생하는 전기장 발생부와,
    상기 발생된 전기장 전극에 대응하는 전기장 대응부와,
    상기 전기장 발생부 및 전기장 대응부 사이에서 전기적 용량 변화를 확인하기 위해 상기 발생된 전기장 전극을 전기적 신호로 변환하여 출력하는 신호 검출부
    를 포함하며,
    상기 전기장 발생부에 포함된 사각형 전도성 평판와 상기 전기장 대응부에 포함된 사각형 전도성 평판 사이의 요우(yaw) 발생각(θy)에 대응하는 전기적 용량 Cy는
    수학식 2
    Figure 112007054396514-pat00010
    , 혹은
    Figure 112007054396514-pat00011
    , (여기서, ay, by는 전기장 대응부 내에 포함된 사각형 전도성 단자의 폭과 길이이고, sin(ay)내의 ay 는 사각형 전도성 단자의 두 면이 이루는 사이 각이며, θy는 요우 회전각의 방향)
    를 통해 얻을 수 있는 회전 측정용 전기적 용량 센서.
  8. 회전 측정용 전기적 용량 센서로서,
    교류 전원을 공급하는 교류 전원부와,
    상기 교류 전원에 의해 전기장 전극을 발생하는 전기장 발생부와,
    상기 발생된 전기장 전극에 대응하는 전기장 대응부와,
    상기 전기장 발생부 및 전기장 대응부 사이에서 전기적 용량 변화를 확인하기 위해 상기 발생된 전기장 전극을 전기적 신호로 변환하여 출력하는 신호 검출부
    를 포함하며,
    상기 전기장 대응부에 포함된 사각형 전도성 평판에 대응되도록 전기적 용량을 Cy1, Cy2, Cy3, Cy4로 정의할 경우의 상기 전기장 발생부 및 전기장 대응부 간의 요우(yaw) 발생각(θy)에 대응하는 전체 전기적 용량 CR은
    수학식 3
    Figure 112007054396514-pat00012
    (여기서, Cy1, Cy2, Cy3, Cy4는 4개로 배열된 평행사변형 형태를 갖는 사각형 전도성 평판 각각의 전기적 용량임)
    Figure 112007054396514-pat00013
    ,
    Figure 112007054396514-pat00014
    ,(여기서, ay, by는 전기장 대응부 내에 포함된 사각형 전도성 단자의 폭과 길이이고, sin(ay)와 cos(ay)내의 ay 는 사각형 전도성 단자의 두 면이 이루는 사이 각이며, θy는 요우 회전각의 방향)
    을 통해 얻을 수 있는 회전 측정용 전기적 용량 센서.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 전기장 발생부와 전기장 대응부 각각에 포함된 사각형 전도성 평판은, 복수개로 나열되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 측정용 전기적 용량 센서.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 수학식3에서 요우(yaw) 발생각(θy)이 0일 때에는 테일러 시리즈에 의해
    수학식 4
    Figure 112007054396514-pat00015
    , 혹은
    Figure 112007054396514-pat00016
    와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 회전 측정용 전기적 용량 센서.
  11. 회전 측정용 전기적 용량 센서로서,
    교류 전원을 공급하는 교류 전원부와,
    상기 교류 전원에 의해 전기장 전극을 발생하는 전기장 발생부와,
    상기 발생된 전기장 전극에 대응하는 전기장 대응부와,
    상기 전기장 발생부 및 전기장 대응부 사이에서 전기적 용량 변화를 확인하기 위해 상기 발생된 전기장 전극을 전기적 신호로 변환하여 출력하는 신호 검출부
    를 포함하며,
    상기 센서는, 전기장 발생부 및 전기장 대응부의 주변에 존재하는 전기장을 차단시키기 위한 그라운드(GND) 전극을 더 포함하는 회전 측정용 전기적 용량 센서.
  12. 회전 측정용 전기적 용량 센서로서,
    교류 전원을 공급하는 교류 전원부와,
    상기 교류 전원에 의해 전기장 전극을 발생하는 전기장 발생부와,
    상기 발생된 전기장 전극에 대응하는 전기장 대응부와,
    상기 전기장 발생부 및 전기장 대응부 사이에서 전기적 용량 변화를 확인하기 위해 상기 발생된 전기장 전극을 전기적 신호로 변환하여 출력하는 신호 검출부
    를 포함하며,
    상기 센서는, 전기장 발생부와 전기장 대응부 간의 간격이 일정하지 않을 때, 상기 간격을 일정하게 유지시키기 위하여 상기 전기장 발생부 또는 전기장 대응부의 표면에 절연물질을 증착 혹은 삽입시키는 회전 측정용 전기적 용량 센서.
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