KR20020012438A - 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치 및 이를 이용한극미세 이송시스템 - Google Patents

압전 액츄에이터를 가지는 이송장치 및 이를 이용한극미세 이송시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초정밀 위치제어 능력이 우수하고 잔류 진동 및 외란을 감소시킬 수 있도록 한 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치는 테이블과, 테이블을 이동시키기 위한 모터와, 모터의 회전력에 의해 회전되는 볼 스크류와, 볼 스크류가 관통되고 볼 스크류의 회전력을 직선운동으로 변환하는 볼너트와, 볼 스크류가 관통되고 볼너트와 체결되어 볼 스크류의 진행방향의 힘만을 테이블로 전달하기 위한 플렉셔와, 볼 스크류가 관통되고 플렉셔와 체결되는 제 1 스페이서와, 볼 스큐류가 관통되고 테이블 및 제 1 스페이서와 체결되는 제 2 스페이서와, 제 1 및 제 2 스페이서의 사이에 설치되어 전기적인 신호에 응답하여 미소 변위를 발생하여 테이블의 변위에러를 보상하는 압전 액츄에이터를 구비한다.
이러한 구성에 의하여, 본 발명에 의한 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치는 정밀하게 테이블의 위치를 제어함과 아울러 테이블의 잔류진동 및 외란을 최소화 할 수 있다.

Description

압전 액츄에이터를 가지는 이송장치 및 이를 이용한 극미세 이송 시스템{Transferring Apparatus With Piezo-actuator and Micro-minute Transferring System Using The Same}
본 발명은 이송장치에 관한 것으로 특히, 초정밀 위치제어 능력이 우수하고 잔류 진동 및 외란을 감소시킬 수 있도록 한 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치 및 이를 이용한 극미세 이송 시스템에 관한 것이다.
최근, 컴퓨터 및 정보통신의 대용량, 고속화 추세에 따라 보다 정밀한 반도체 소자와 고밀도 저장매체에 대한 수요가 급증하고 있다. 이와 같은 고정밀, 고밀도 소자들은 미세한 에러에도 상품의 품질이나 수명 그리고 효율이 크게 낮아지게 되므로 이들 소자들에 대하여는 제조공정시 보다 높은 정밀도가 요구되고 있다. 그 정밀도는 광전자 소자, 반도체칩 그리고 고밀도 자기기억장치의 경우에 1 나노미터(10-9㎚) 이하까지 이르고 있다.
고정밀, 고밀도 소자들의 각 제조공정에서 필요한 이송장치 또는 위치조정장치는 일반적으로, 볼 스크류(Ball screw), 슬라이딩 스크류(Sliding screw), 롤드 볼 스크류(Rolled ball screw)와 같은 리드-스크류(lead-screw) 구동 시스템이 이용되고 있다.
그러나 이러한 리드-스크류 방식에서는 볼과 안내로(Guideway) 사이에 존재하는 마찰력에 기인한 미소 동역학으로 인하여 극초정밀 단위의 위치조정 능력에 대한 신뢰성이 현저히 떨어지게 된다. 이를 상세히 하면, 볼과 안내로(Guideway) 사이에 존재하는 마찰력에 따른 미소 동역학은 일련의 히스테리시스(hysterisis) 형 비선형성 특징을 나타내어 미소 동역학에 의한 극미세 운동이 볼 스크류 이송 시스템을 포함한 리드-스크류 방식에서 발생하는 탄성변형에 기인한 미소 회전운동보다 먼저 발생된다는 점을 고전역학에서 설정하지 못하고 있다. 또한, 이러한 미소 동역학 상태 하의 극미세 운동은 높은 강성과 낮은 감쇠(탄성변형) 특성을 갖고 있기 때문에 외부 요소에 의해 가진되는 잔류 진동이 볼 스큐류 이송 시스템의 전체적인 위치제어 능력을 저하시킬 수 밖에 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 초정밀 위치제어 능력이 우수하고 잔류 진동 및 외란을 감소시킬 수 있도록 한 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치 및 이를 이용한 극미세 이송 시스템을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치를 나타내는 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 플렉셔를 상세히 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치를 이용한 극미세 이송 시스템을 나타내는 블록도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
2 : 모터 4 : 볼 스크류
6 : 볼 너트 8 : 테이블
10,11,30,32 : 홀 12 : 리니어 스케일
14 : 레이저센서 16 : 플렉셔
18,19 : 슬릿 홀 20,22 : 스페이서
21,23 : 금속 24 : 압전 액츄에이터
26,27,28,29 : 볼 스크류 34 : 캡센서
41 : 입력단자 42,44,46,60 : 보상부
48 : D/A 변환기 50 : 모터 제어부
54 : 엔코더 64 : A/D 변환기
100 : 제어부
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치는 테이블과, 테이블을 이동시키기 위한 모터와, 모터의 회전력에 의해 회전되는 볼 스크류와, 볼 스크류가 관통되고 볼 스크류의 회전력을 직선운동으로 변환하는 볼너트와, 볼 스크류가 관통되고 볼너트와 체결되어 볼 스크류의 진행방향의 힘만을 테이블로 전달하기 위한 플렉셔와, 볼 스크류가 관통되고 플렉셔와 체결되는 제 1 스페이서와, 볼 스큐류가 관통되고 테이블 및 제 1 스페이서와 체결되는 제 2 스페이서와, 제 1 및 제 2 스페이서의 사이에 설치되어 전기적인 신호에 응답하여 미소 변위를 발생하여 테이블의 변위에러를 보상하는 압전 액츄에이터를 구비한다.
본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치를 이용한 극미세 이송 시스템은 테이블과, 테이블을 이동시키기 위한 모터와, 모터의 회전력에 의해 회전되는 볼 스크류와, 볼 스크류가 관통되고 볼 스크류의 회전력을 직선운동으로 변환하는 볼너트와, 볼 스크류가 관통되고 볼너트와 체결되어 볼 스크류의 진행방향의 힘만을 테이블로 전달하기 위한 플렉셔와, 볼 스크류가 관통되고 플렉셔와 체결되는 제 1 스페이서와, 볼 스큐류가 관통되고 테이블 및 제 1 스페이서와 체결되는 제 2 스페이서와, 제 1 및 제 2 스페이서의 사이에 설치되어 전기적인 신호에 응답하여 미소 변위를 발생하여 테이블의 변위에러를 보상하는 압전 액츄에이터와, 모터에 실장되어 모터의 회전력을 검출하기 위한 엔코더와, 테이블에 부착되어 테이블의 이동변위를 검출하기 위한 리니어 스케일 및 레이저 센서와, 제 2 스페이서에부착되어 압전 액츄에이터의 변위를 검출하기 위한 캡 센서와, 엔코더, 리니어 스케일, 레이저 센서 및 캡 센서로부터 검출신호를 입력받아 테이블의 이동변위를 보상해주기 위한 제어부를 구비한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치의 사시도 및 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 이송장치는 테이블(8)과, 테이블의 배면에 설치되는 볼 너트(Ball nut)(6), 플렉셔(Flexure)(16), 제 1 스페이서(Spacer)(20), 압전 액츄에이터(piezo actuator : PZT)(24) 및 제 2 스페이서(22)와, 볼 너트(6), 플렉셔(16), 제 1 스페이서(20), 압전 액츄에이터(24) 및 제 2 스페이서(22)를 관통하도록 설치되는 볼 스크류(4)와, 볼 스크류(4)에 회전력을 공급하기 위한 모터(2)를 구비한다. 모터(2)는 볼 스크류(4)에 회전력을 공급한다. 볼 스크류(4)는 모터(2)의 회전력에 의해 회전되고, 볼 너트(6)는 볼 스크류(4)의 회전력에 의해 직선운동을 한다. 플렉셔(16)는 테이블의 잔류진동 및 외란을 방지한다. 플렉셔(16)는 볼 스크류(4)의 진행방향의 힘만을 테이블(8)로 전달하고, 그 외의 힘들은 제거한다. 이를 위해 플렉셔(16)에는 도 3과 같이 슬릿 홀들(18,19)이 형성된다. 이와 같은 슬릿 홀들(18,19)은 서로 교차되는 방향으로 형성된다. 따라서, 슬릿 홀들(18,19)의 중심부의 금속들(21,23)도 서로 교차되는 방향으로 형성된다. 볼 너트(6)와 플렉셔(16)는 볼 스크류들(27)에 의해 체결된다. 이를 위해 볼너트(6)에는 볼 스크류들(27)이 삽입될 수 있는 홀(11)이 형성된다. 플렉셔(16)와 볼 너트(6)가 체결된 반대측면에는 제 1 및 제 2 스페이서(20,22)가 설치된다. 제 1 스페이서(20)는 홀(32)이 형성되고, 이 홀(32)에 볼 스크류(29)가 삽입되어 플렉셔(16)와 체결된다. 제 2 스페이서(22)에도 홀(30)이 형성되고, 이 홀(32)에 볼 스크류(29)가 삽입되어 제 1 스페이서(20)와 체결된다. 즉, 볼 너트(Ball nut)(6), 플렉셔(Flexure)(16), 제 1 스페이서(Spacer)(20) 및 제 2 스페이서(22)는 볼 스크류들(27,28,29)에 의해 서로 결합된다. 따라서, 모터(2)의 회전력에 의해 볼너트(6)와 함께 직선운동을 하게된다. 또한, 제 2 스페이서(22)는 테이블(8) 상의 홀(10)을 통해 삽입되는 볼 스크류(26)에 의해 체결된다. 제 1 및 제 2 스페이서(20,22) 사이에는 압전 액츄에이터(24)가 설치된다. 압전 액츄에이터(24)는 도시되지 않는 공급부로부터 공급되는 전기신호에 의해 변위가 발생된다. 이 변위에 의해 제 1 및 제 2 스페이서(20,22)가 이동되고, 제 1 및 제 2 스페이서(20,22)에 결합되어 있는 플렉셔(16) 및 볼너트(6)가 움직이게 된다. 즉, 압전 액츄에이터(24)의 변위에 해당하는 만큼 테이블(8)이 움직이게 된다. 이와 같은 압전 액츄에이터(24)는 ㎚ 단위의 변위를 발생하여 테이블(8)을 원하는 위치로 이동시킨다. 캡센서(34)는 압전 액츄에이터(24)의 변위를 검출하여 도시되지 않은 보상부로 전송하여 압전 액츄에이터(24)의 변위에러를 보상하게 된다. 레이저센서(14)는 테이블(8)의 변위를 검출하여 도시되지 않은 보상부로 전송하여 테이블(8)의 변위에러를 보상하게 된다.
본 발명의 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치의 동작과정을 도 4를 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 이때, 모터(2)의 회전력에 의해 테이블(8)이 이동되고 있다고 가정한다.
도 4를 참조하면, 먼저 입력단자(41)를 통해 제어신호가 제어부(100)에 포함되어 있는 제 1 보상부(42)로 입력된다. 제 1 보상부(42)로 입력된 제어신호는 제 2 보상부(44)를 거쳐 Digital/Analog(이하 "D/A"라 함) 변환기(48)로 입력된다. 또한, 제 1 보상부(42)로 입력된 제어신호는 제 3 보상부(46)를 거쳐 모터 제어부(50)로 입력된다. 모터 제어부(50)는 제어신호에 포함되어 있는 이동신호에 응답하여 모터 구동신호를 모터(2)에 공급한다. 모터(2)는 모터 제어부(50)로부터 입력되는 모터 구동신호에 응답하여 회전하게 된다. 이때, 모터(2)에 실장되어 있는 엔코더(54)는 모터의 회전력 에러신호를 검출하여 제 3 보상부(46)로 피드 백(Feed back)한다. 제 3 보상부(46)는 제 1 보상부(42)로부터 입력되는 제어신호를 기준으로 엔코더(54)로부터 입력되는 에러신호를 보상하여 모터 제어부(50)로 공급한다. 한편, 제 2 보상부(44)로부터 제어신호를 입력받은 D/A 변환기(48)는 제어신호를 디지털신호로 변환하여 압전 액츄에이터(24)로 공급한다. 압전 액츄에이터(24)는 D/A 변환기(48)로부터 입력되는 디지털신호에 응답하여 변위를 발생한다. 이때, 제 2 스페이서(22)에 부착되어 있는 캡 센서(34)는 압전 액츄에이터(24)의 변위에러를 검출하여 제 2 보상부(44)로 공급한다. 제 2보상부(44)는 제 1 보상부(42)로부터 입력되는 제어신호를 기준으로 캡 센서(34)로부터 입력되는 에러신호를 보상하여 D/A 변환기(48)로 공급한다. 압전 액츄에이터(24)로부터 출력되는 변위신호와 모터(2)로부터 출력되는 회전신호는 제 4 보상부(60)에서 가산되어 테이블(8)의 구동변위를 결정하게 된다. 테이블(8)의 측면에 부착되어 있는 리니어 스케일(12) 및 테이블(8)의 상측에 부착되어 있는 레이저 센서(14)는 테이블(8)의 변위에러를 검출한다. 리니어 스케일(12)은 ㎛단위의 정밀도를 가지고 테이블(8)의 변위를 검출한다. 레이저 센서(14)는 ㎚단위의 정밀도를 가지고 테이블(8)의 변위를 검출한다. 리니어 스케일(12) 및 레이저 센서(14)로부터 검출된 테이블(8)의 변위에러 신호는 Analog/Digital(이하 "A/D"라 함) 변환기(64)로 입력된다. A/D 변환기(64)는 변위에러 신호를 디지털신호로 변환하여 제 1 보상부(42)로 공급한다. 제 1 보상부(42)는 입력단자(41)로부터 입력되는 제어신호를 기준으로 A/D 변환기(64)로부터 입력되는 디지털신호를 보상하여 제 2 및 제 3 보상부(44,46)로 공급한다. 따라서, 본 발명의 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치 및 이를 이용한 극미세 이송 시스템에서는 압전 액츄에이터(24)를 이용하여 테이블(8)의 이동변위를 ㎚ 단위로 정확히 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치 및 이를 이용한 극미세 이송 시스템은 테이블의 배면에 설치되는 압전 액츄에이터의 변위를 이용하여 정밀하게 테이블의 위치를 제어할 수 있다. 또한, 교차되는 방향으로 슬릿 홀이 형성된 플렉셔를 테이블의 배면에 설치하여 테이블의 잔류진동 및 외란을 최소화 할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (5)

  1. 테이블과,
    상기 테이블을 이동시키기 위한 모터와,
    상기 모터의 회전력에 의해 회전되는 볼 스크류와,
    상기 볼 스크류가 관통되고 상기 볼 스크류의 회전력을 직선운동으로 변환하는 볼너트와,
    상기 볼 스크류가 관통되고 상기 볼너트와 체결되어 상기 볼 스크류의 진행방향의 힘만을 상기 테이블로 전달하기 위한 플렉셔와,
    상기 볼 스크류가 관통되고 상기 플렉셔와 체결되는 제 1 스페이서와,
    상기 볼 스큐류가 관통되고 상기 테이블 및 제 1 스페이서와 체결되는 제 2 스페이서와,
    상기 제 1 및 제 2 스페이서의 사이에 설치되어 전기적인 신호에 응답하여 미소 변위를 발생하여 상기 테이블의 변위에러를 보상하는 압전 액츄에이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터에 실장되어 상기 모터의 회전력을 검출하기 위한 엔코더와,
    상기 테이블에 부착되어 상기 테이블의 이동변위를 검출하기 위한 리니어 스케일 및 레이저 센서와,
    상기 제 2 스페이서에 부착되어 상기 압전소자의 변위를 검출하기 위한 캡 센서를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치.
  3. 테이블과,
    상기 테이블을 이동시키기 위한 모터와,
    상기 모터의 회전력에 의해 회전되는 볼 스크류와,
    상기 볼 스크류가 관통되고 상기 볼 스크류의 회전력을 직선운동으로 변환하는 볼너트와,
    상기 볼 스크류가 관통되고 상기 볼너트와 체결되어 상기 볼 스크류의 진행방향의 힘만을 상기 테이블로 전달하기 위한 플렉셔와,
    상기 볼 스크류가 관통되고 상기 플렉셔와 체결되는 제 1 스페이서와,
    상기 볼 스큐류가 관통되고 상기 테이블 및 제 1 스페이서와 체결되는 제 2 스페이서와,
    상기 제 1 및 제 2 스페이서의 사이에 설치되어 전기적인 신호에 응답하여 미소 변위를 발생하여 상기 테이블의 변위에러를 보상하는 압전 액츄에이터와,
    상기 모터에 실장되어 상기 모터의 회전력을 검출하기 위한 엔코더와,
    상기 테이블에 부착되어 상기 테이블의 이동변위를 검출하기 위한 리니어 스케일 및 레이저 센서와,
    상기 제 2 스페이서에 부착되어 상기 압전 액츄에이터의 변위를 검출하기 위한 캡 센서와,
    상기 엔코더, 리니어 스케일, 레이저 센서 및 캡 센서로부터 검출신호를 입력받아 상기 테이블의 이동변위를 보상해주기 위한 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치를 이용한 극미세 이송 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 테이블의 이동범위가 포함되어 있는 제어신호가 입력되는 입력단자와,
    상기 레이저 센서 및 리니어 스케일로부터 입력되는 테이블의 이동변위를 디지털신호로 변환하기 위한 아날로그/디지털 변환기와,
    상기 아날로그/디지털 변환기 및 상기 입력단자의 사이에 설치되어 상기 제어신호를 기준으로 상기 디지털신호를 감산하여 상기 테이블의 이동변위를 보상하기 위한 제 1 보상부와,
    상기 제 1 보상부와 상기 압전 액츄에이터의 사이에 설치되어 상기 제 1 보상부로부터 입력되는 보상신호를 아날로그신호로 변환하여 상기 전기적인 신호를 생성하는 디지털/아날로그 변환기와,
    상기 제 1 보상부와 상기 모터의 사이에 설치되어 상기 제 1 보상부로부터 입력되는 보상신호를 모터 구동신호로 변환하여 상기 모터에 공급하는 모터 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치를 이용한 극미세 이송 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 보상부 및 상기 디지털/아날로그 변환기 사이에 설치되어 상기 제 1 보상부로부터 입력되는 보상신호를 기준으로 상기 캡 센서로부터 입력되는 상기 압전 액츄에이터의 이동변위를 감산하기 위한 제 2 보상부와,
    상기 제 1 보상부 및 상기 모터 제어부의 사이에 설치되어 상기 제 1 보상부로부터 입력되는 보상신호를 기준으로 상기 엔코더로부터 입력되는 상기 모터의 회젼력을 감산하기 위한 제 3 보상부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터를 가지는 이송장치를 이용한 극미세 이송 시스템.
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