KR20000026871A - 광센서를 이용한 위치결정장치를 구비한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블 - Google Patents

광센서를 이용한 위치결정장치를 구비한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광센서를 이용한 위치결정장치를 구비한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블에 관한 것으로서, 테이블 베드의 상측에 이송스테이지가 결합되고, 상기 테이블 베드의 측부에는 상기 이송스테이지를 회전 및 직선이송하도록 엑추에이터가 결합된 병렬형 회전 및 병진운동 테이블에 있어서, 상기 테이블 베드(40)의 상측에는 상기 이송스테이지(52)의 위치이동을 감지하도록 발광부에서 나온 광을 받아 수광점의 위치를 측정하는 PSD(Position Sensitive Detector)광센서가 구비되어 있는 것을 특징으로 하며, 이와 같은 구성에 의하면, 고가의 LVDT을 사용하지 않고도 이송스테이지의 위치를 측정함과 동시에 수렴하거나 초기화 작업에서 홈 포지션작업을 수행할 수 있으며, 광센서는 비접촉식이므로 마모로 인한 측정오차가 생김을 방지할 수 있어 외부의 영향을 거의 받지 않으며, 외형의 크기가 작아 테이블안으로의 배치가 가능하여 테이블을 소형화 할 수 있다.

Description

광센서를 이용한 위치결정장치를 구비한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블
본 발명은 병렬형 회전 및 병진운동 테이블에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광센서를 이용한 위치결정장치를 구비한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블에 관한 것이다.
현대 전자산업의 고속발전으로 고성능, 고집적, 단소화한 제품들이 다량으로 개발생산되고 있다. 이러한 제품들의 생산과정에는 기본적으로 부품의 조립 및 성능시험을 위한 고정밀도의 위치결정장치가 필요하게 된다.
이러한 위치결정장치는 XY, XYZ, XYθ의 자유도를 가진 테이블로 구현하게 되는데, 이중 2차원 공간에서 XYθ의 자유도를 가지는 XYθ테이블이 많이 사용되고 있다. 상기 XYθ테이블 중에서 이동 스테이지의 X,Y방향 평행이송과 θ의 회전을 독립적으로 담당하는, 세 개의 축이 3단으로 적층된 3단 적층 XYθ테이블은 그 구조상 중량이 크고 강성이 낮은 한편 차지하는 공간이 크게 되어 비효율적인 작업환경을 야기하므로, 근래에는 세 개의 축이 동일한 평면상에서 병렬로 배열된 병렬형 XYθ테이블(일명, "병렬형 회전 및 병진운동 테이블"이라 함)이 개발되어 있다.
종래 도1에 도시한 바와 같은 병렬형 XYθ테이블은 테이블 베드(1)의 내측에는 이송스테이지(12)가 결합되고, 상기 이송스테이지(12)를 기준으로 한 단일평면상에서 수평방향의 한 개의 엑추에이터(14)와 수직방향의 두 개의 엑추에이터(16)(18)가 결합된 구조로 되어 있고, 상기 각 엑추에이터(14)(16)(18)의 반대측에는 이송스테이지(12)의 위치를 측정하기 위한 위치센서(24)(26)(28)이 각각 결합되어 있다.
상기 엑추에이터(14)(16)(18)은 도2에 도시한 바와 같이, 스테핑모터(30)의 일측에 4개의 커플링(32) 및 마이크로미터 헤드(34)가 순차적으로 연결되고, 상기 상기 스테핑모터(30)의 타측에는 수동이송노브(36)가 결합된 구조로 이루어져, 커플링(32)의 축방향 신축성을 이용하여 스테핑모터(30)의 회전을 마이크로미터 헤드(34)에 전달할 수 있게 되어 있다.
상기 위치센서(24)(26)(28)는 LVDT (Linear Variable Differentiall Transformer )로서, 상기 커플링(32)의 비틀림에 의한 회전전달의 오차로 생기는 엑추에이터의 오차를 측정함과 동시에 수렴하거나 초기화 작업에서 홈 포지션작업을 수행하기 위해 사용된다.
그런데, 이와 같이 구성된 종래의 병렬형 XYθ테이블에서는 엑추에이터의 오차를 측정함과 동시에 수렴하거나 초기화 작업에서 홈 포지션작업을 수행하기 위해 고가의 LVDT를 사용하므로 전체적인 병렬형 XYθ테이블의 제조비용이 높아지게 된다는 문제점이 있었다.
또한, LVDT는 접촉식 센서로서, 피측정물체의 가공오차 및 마모 등 여러 가지 요인으로 인하여 측정상의 오차를 갖게 되며, 또 외형이 길어 병렬형 XYθ테이블에서 배치가 적합하지 않다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 저가이며 외부요인의 영향을 받지 않으며 소형으로 배치가 용이한 광센서를 이용한 위치결정장치를 구비한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블을 제공하는데 있다.
도1은 종래 위치센서가 결합된 병렬 XYθ테이블의 개략사시도,
도2는 도1의 엑추에이터를 나타내는 개략단면도,
도3은 본 고안에 의한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블을 나타내는 입면도,
도4는 본 고안에 의한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블을 나타내는 분해사시도,
도5는 도4의 제2엑추에이터를 나타내는 입면도,
도6은 도4의 제1 및 제3엑추에이터의 마이크로미터 헤더를 나타내는 입면도,
도7은 본 고안에 의한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블에서 작업스테이지를 제거하여 나타낸 평면도,
도8은 본 고안에 의한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블 베드에 이송 스테이지가 안착되는 상태도,
도9는 본 고안에 의한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블의 위치결정장치를 나타내는 사시도.
도10은 도9의 위치결정장치중의 하나의 상세사시도,
도11은 도10의 PSD 광센서의 개념도,
도12는 도10의 PSD 광센서의 개략 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
40 : 테이블 베드 46, 48, 50 ; 제1, 제2, 제3엑추에이터
52 ; 이송 스테이지 54, 56 : 제1, 제2블록
58 ; 위치결정장치 60 : 작업 스테이지
74, 76 : 마이크로미터 헤드 78 : 회전볼
80 : 볼 스크류 82, 84 : 제1, 제2스프링
88 : 발광부 90 : 수광부
92 : 레이저 94 : 반사미러
96 : 관통구멍 98 : PSD 광센서
100 : 수광회로부 102 : P층
104 : N층 106, 108, 116, 118 : 출력단자
110 : 수광면
본 발명에 의한 광센서를 이용한 위치결정장치를 구비한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블은 테이블 베드의 상측에 이송스테이지가 결합되고, 상기 테이블 베드의 측부에는 상기 이송스테이지를 회전 및 직선이송하도록 엑추에이터가 결합된 병렬형 회전 및 병진운동 테이블에 있어서, 상기 테이블 베드의 상측에는 상기 이송스테이지의 위치이동을 감지하도록 발광부에서 나온 광을 받아 수광점의 위치를 측정하는 PSD(Position Sensitive Detector)광센서가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 PSD 광센서는 발광부에서 나온 광을 반사밀러를 통해 받게 되어 있다.
상기 PSD 광센서는 2차원 공간상에서 X,Y 및 θ의 위치정보를 알도록 최소한 2개가 소정의 간격을 설치되어 있다.
상기 PSD 광센서는 PN 접합층의 P층의 4개의 변에 4개의 출력단자를 가지고 있고, 광전류는 균일하게 분포된 저항층을 거쳐 입사점위치로부터 4개의 출력단자로 출력전류를 형성하는 테트라 래트럴 형(Tetra-Lateral type)으로 되어 있다.
상기 이송스테이지는 그 단부에 회전볼이 결합된 볼 클램프 스크류(Ball Clamp Screw)에 의해 상기 테이블 베드면에 점접촉되어 있고, 이 이송스테이지에는 다수의 블록이 돌출형성되어 이 돌출된 블록에는 상기 엑추에이터의 헤드가 밀착되어 있으며, 상기 블록의 측면과 상기 엑추에이터의 헤드가 항상 접촉하도록 상기 이송스테이지의 가장자리에는 상기 테이블 베드에 연결되는 스프링이 결합되어 있다.
상기 스프링은 상기 엑추에이터의 전진방향과 반대방향의 탄성복원력이 가해지는 방향으로 결합되어 있다.
상기 이송스테이지의 상측에는 작업물을 올려 놓을 수 있는 작업스테이지가 다수의 기둥에 의해 고정결합되어 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도3 및 도4에 도시한 바와 같이, 테이블 베드(40)의 좌우측에는 고정대(42)(44)에 의해 지지된 제1, 제2, 제3엑추에이터(46)(48)(50)가 결합되어 있다. 이때, 상기 제1, 제2엑추에이터(46)(48)는 좌측의 고정대(42)에 결합되어 후술하는 하나의 블록에 힘을 가하게 되고, 상기 제3엑추에이터(50)는 우측의 고정대(44)에 결합되어 후술하는 하나의 블록에 힘을 가하게 되어 있다.
그리고, 상기 테이블 베드(40)의 상측에는 상기 제1, 제2, 제3엑추에이터(46)(48)(50)에 의해 이송되는 이송 스테이지(52)가 결합되어 있고, 상기 이송스테이지(52)의 우측 가장자리에는 상기 제1, 제2엑추에이터(46)(48)의 후술하는 마이크로미터 헤드가 접촉하는 제1블록(54)가 형성되어 있고, 상기 이송스테이지(52)의 좌측 가장자리에는 상기 제3엑추에이터(50)의 후술하는 마이크로미터 헤더가 접촉하는 제2블록(56)이 형성되어 있다.
또한, 상기 테이블 베드(40)의 상측 및 이송스테이지(52)의 상측에는 상기 이송스테이지의 위치를 결정하도록 광센서를 이용한 위치결정장치(58)가 결합되어 있고, 상기 이송스테이지(52)의 상측에는 작업물을 올려 놓을 수 있는 작업스테이지(60)가 다수의 기둥(62)에 의해 고정결합되어 있다.
도5에 도시한 바와 같이, 상기 제2엑추에이터(48)는 중심축(62)이 커플링(64)에 의해 스테핑모터(66)에 연결되고, 상기 중심축(62)의 중간부에는 다수의 베어링(68)이 방사상으로 설치된 베어링 모듈(70)이 결합되어 있고, 상기 베어링 모듈(70)을 포함한 중심축(62)의 대부분은 이송가이드(72) 내부에 수용되며, 상기 이송가이드(72)의 단부에는 직선형의 마이크로미터 헤드(74)가 결합된 구조로 되어 있다.
상기 제1, 제3엑추에이터(46)(50)는 상기 제2엑추에이터(48)의 마이크로미터 드가 도6에 도시한 바와 같은 L형의 마이크로미터 헤드(76)로 대체된 구조로 되어 있다.
상기 마이크로미터 헤드(74)(76)는 그 일단은 상기 이송가이드(72)에 끼워지고, 그 타단은 상기 제1블록(54) 또는 제2블록(56)의 측면에 접촉하게 되어 있다.
도7 및 도8에 도시한 바와 같이, 상기 이송스테이지(52)는 그 단부에 회전볼(78)이 결합된 다수의 볼 클램프 스크류(80)에 의해 상기 테이블 베드면에 점접촉되어 있고, 상기 제1블록(54) 또는 제2블록(56)의 측면과 상기 제1, 제2, 제3엑추에이터(46)(48)(50)의 마이크로미터 헤드(74)(76)가 항상 접촉하도록 상기 이송스테이지의 가장자리에는 상기 테이블 베드(40)에 연결되는 제1, 제2스프링(82)(84)이 결합되어 있다.
상기 제1스프링(82)은 상기 제1블록(54)측에 결합되고, 상기 제2스프링(84)은 상기 제2블록(56)에 연결되며, 상기 제1, 제2스프링(82)(84)은 상기 엑추에이터의 전진방향과 반대방향의 탄성복원력이 가해지는 방향으로 결합되어 있다.
상기 테이블 베드(40)의 상면에는 상기 회전볼(78)이 구름접촉하도록 매끈한 접촉면(86)이 형성되어 있다.
도9에 도시한 바와 같이 상기 위치결정장치(58)는 2차원 공간상에서 이송스테이지의 X,Y 및 θ의 위치정보를 알도록 상기 제1블록(54) 및 제2블록(56)측에 각각 하나씩 2개가 설치되어 있다.
도10의 개념도에 따라 하나의 위치결정장치(58)에 대해서 설명하면, 도시한 바와 같이 위치결정장치는 발광부(88)와 수광부(90)로 나뉘어 지는데, 상기 발광부(88)는 상기 이송스테이지(52)에 설치되어 있고, 상기 수광부(90)는 테이블 베드(40)에 설치되어 있다.
상기 발광부(88)는 레이저광을 발생시키는 레이저(92)로 되어 있고, 상기 레이저(92)에서 나온 광은 반사미러(94)를 통해 수광부(90)에 도달하게 된다. 이때, 상기 이송스테이지(52)에는 상기 반사미러(94)에서 반사된 광이 수광부(90)에 도달하도록 관통구멍(96)이 형성되어 있다.
상기 수광부(90)는 광을 받는 PSD(Position Sensitive Detector)광센서(98)와, 상기 PSD 광센서(98)에서 출력되는 미약한 신호를 증폭, 연산하여 마이컴이나 컴퓨터에 입력하는 수광회로부(100)로 이루어져 있다.
상기 레이저(92)는 공지의 적색 다이오드 레이저로 되어 있으며, 이 레이저(92)에서 나온 레이저 광은 반사미러(94)를 통해 상기 PSD 광센서(98)의 수광면에 최적의 스폿광 포인터를 얻는 설치간격으로 되어 있다.
상기 PSD 광센서(98)는 스폿형태의 광의 위치를 검출할 수 있는 광센서로서, 도11에 도시한 바와 같이, 기본적으로 입사광을 전기신호로 변환하기 위한 P층(102)과 N층(104)이 접합된 PN접합면이 형성된 반도체와, 전기신호를 출력하기 위해 상기 P층(102)의 가장자리에 접합된 출력단자(106)(108)으로 구성되어 있다.
상기 PSD 광센서(98)에 의한 위치결정은 다음과 같이 행해 지게 된다.
PN접합면으로 구성된 수광면(110)에 광이 입사되면, 반도체내에서 입사한 부근의 P층(102)에는 +전하, N층(104)에는 -의 전하로 나타난다. 이 P층(102)내의 불균일한 +전하의 분포가 P층(102)내에서 전하의 이동을 야기하고, 입사점으로부터 P층(102)의 양단 출력단자(106)(108)까지의 거리에 반비례되는 전류로 출력된다.
여기서,
I1= 제1출력단자에서의 전류
I2= 제2출력단자에서의 전류
I0= 전체전류( I1+ I2)
L = 단자간 길이
x = 양 단자사이의 중심에서 입사위치까지의 거리
따라서, 다음 식에 의해 입사위치 x를 구할 수 있다.
상기 식은 한 축상에서의 입사위치를 구하는 간단한 식을 나타내고 있는데, 두축 상에서도 위와 같은 기본원리에 따라 입사위치를 간단히 구할 수 있다.
본 발명의 상기 PSD 광센서(98)는 도12에 도시한 바와 같이, PN 접합층의 P층(102)의 4개의 변에 4개의 출력단자(106)(108)(116)(118)을 가지고 있고, 광전류는 균일하게 분포된 저항층을 거쳐 입사점위치로부터 4개의 출력단자로 출력전류를 형성하는 테트라 래트럴 형(Tetra-Lateral type)으로 되어 있다.
Y축방향의 입사위치는 "수학식 2"와 유사하게 구해진다.
상기 수광회로부(100)는 상기 PSD 광센서(98)에서 출력되는 미약한 전류신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 전류신호로 입사위치를 구하는 연산부로 구성되어 이있고, 상기 연산부에서 나온 신호는 직접 대응 회로에 입력되거나 A/D변환기를 거쳐 마이컴이나 컴퓨터에 입력된다.
상기 입사위치를 검출하게 됨에 따라 이송 스테이지(52)의 위치이동을 정확히 알아 테이블의 이송을 제어하게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블은 PSD 광센서를 이용함에 의해, 고가의 LVDT을 사용하지 않고도 엑추에이터의 오차를 측정함과 동시에 수렴하거나 초기화 작업에서 홈 포지션작업을 수행할 수 있으며, 광센서는 비접촉식이므로 마모로 인한 측정오차가 생김을 방지할 수 있어 외부의 영향을 거의 받지 않으며, 외형의 크기가 작아 테이블안으로의 배치가 가능하여 테이블을 소형화 할 수 있다.

Claims (7)

  1. 테이블 베드의 상측에 이송스테이지가 결합되고, 상기 테이블 베드의 측부에는 상기 이송스테이지를 회전 및 직선이송하도록 엑추에이터가 결합된 병렬형 회전 및 병진운동 테이블에 있어서,
    상기 테이블 베드의 상측에는 상기 이송스테이지의 위치이동을 감지하도록 발광부에서 나온 광을 받는 PSD(Position Sensitive Detector)광센서가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 회전 및 병진운동 테이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PSD 광센서는 발광부에서 나온 광을 반사밀러를 통해 전달받게 되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 회전 및 병진운동 테이블.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PSD 광센서는 2차원 공간상에서 X,Y 및 θ의 위치정보를 알도록 최소한 2개가 소정의 간격을 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 회전 및 병진운동 테이블.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 PSD 광센서는 PN 접합층의 P층의 4개의 변에 4개의 출력단자를 가지고 있고, 광전류는 균일하게 분포된 저항층을 거쳐 입사점위치로부터 4개의 출력단자로 출력전류를 형성하는 테트라 래트럴 형(Tetra-Lateral type)으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 회전 및 병진운동 테이블.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이송스테이지는 그 단부에 회전볼이 결합된 볼 스크류에 의해 상기 테이블 베드면에 점접촉되어 있고, 이 이송스테이지에는 다수의 블록이 돌출형성되어 이 돌출된 블록에는 상기 엑추에이터의 헤드가 밀착되어 있으며, 상기 블록의 측면과 상기 엑추에이터의 헤드가 항상 접촉하도록 상기 이송스테이지의 가장자리에는 상기 테이블 베드에 연결되는 스프링이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 회전 및 병진운동 테이블.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스프링은 상기 엑추에이터의 전진방향과 반대방향의 탄성복원력이 가해지는 방향으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 회전 및 병진운동 테이블.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 이송스테이지의 상측에는 작업물을 올려 놓을 수 있는 작업스테이지가 다수의 기둥에 의해 고정결합되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 회전 및 병진운동 테이블.
KR1019980044600A 1998-10-23 1998-10-23 광센서를 이용한 위치결정장치를 구비한 병렬형 회전 및 병진운동 테이블 KR100279130B1 (ko)

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KR100663939B1 (ko) * 2006-02-23 2007-01-03 한국생산기술연구원 진공용 대변위 나노 스테이지
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