KR20120001068A - 복합형 방진 마운트 시스템 - Google Patents

복합형 방진 마운트 시스템 Download PDF

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KR20120001068A
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장동두
문석준
최상민
정종안
허영철
신윤호
문영종
오정근
송영훈
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Abstract

본 발명은 설치 기준면에 설치되는 하부 테이블과, 상기 하부 테이블의 상측에 배치되며 구조물을 지지하는 상부 테이블과, 상기 하부 테이블의 상면에 설치되며 상기 상부 테이블이 수평 상태에 있을 수 있도록 상기 상부 테이블을 레벨링시키는 복수의 레벨링 유닛과, 상기 레벨링 유닛과 상부 테이블의 사이에 설치되는 복수의 액츄에이터와, 상기 상부 테이블에 설치되며, 상기 설치 기준면의 진동에 의한 상부 테이블의 거동을 센싱하는 센서, 및 상기 액츄에이터 및 센서에 연결되며, 상기 상부 테이블의 거동에 따라 상기 상부 테이블에 제어력이 가해지도록 상기 센서의 센싱 결과를 근거로 상기 액츄에이터를 동작시키는 제어 유닛을 포함하는 복합형 방진 마운트 시스템에 관한 것으로서, 구조물의 레벨링 기능과 방진 기능을 동시에 수행할 수 있는 복합형 방진 마운트 시스템을 제공한다.

Description

복합형 방진 마운트 시스템{HYBRID VIBRATION ISOLATING MOUNT SYSTEM}
본 발명은 정밀 장비 등의 구조물을 마운트 및 격리시키며, 외부 진동이 구조물에 전달되는 것을 방지하는 복합형 방진 마운트 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 제조, 레이져 응용을 위해 적용되는 장비들은 고도로 정밀한 공정을 수행하는 바, 정밀 장비라 지칭하기도 한다.
이러한 정밀 장비들에는 극소의 미진동이라도 가공 정밀도나 측정 정밀도에 영향을 주는 바, 고도화된 방진 기술이 요구되고 있다.
특히, 지면 또는 건물의 바닥으로부터 정밀 장비로 전해지는 진동을 차단하기 위하여, 정밀 장비들을 마운트 및 격리시키는 방진용 마운트 시스템이 적용되고 있다. 일반적으로, 이러한 마운트 시스템은 정밀 장비를 지지하는 테이블과, 테이블을 지지함과 아울러 바닥의 진동을 흡수하는 방진기(흡진기)로 구성되어 있다.
한편, 정밀 장비의 가동에 있어서 정밀 장비의 수평 상태를 맞추는 것도 매우 중요하다 할 것인 바, 정밀 장비의 방진 특성 및 레벨링 기능을 향상시킬 수 있는 마운트 시스템의 구조가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 구조물의 레벨링 기능과 방진 기능을 동시에 수행할 수 있는 복합형 방진 마운트 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 고주파수 영역에서의 방진 성능을 향상시킬 수 있는 복합형 방진 마운트 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 설치 기준면에 설치되는 하부 테이블과, 상기 하부 테이블의 상측에 배치되며 구조물을 지지하는 상부 테이블과, 상기 하부 테이블의 상면에 설치되며 상기 상부 테이블이 수평 상태에 있을 수 있도록 상기 상부 테이블을 레벨링시키는 복수의 레벨링 유닛과, 상기 레벨링 유닛과 상부 테이블의 사이에 설치되는 복수의 액츄에이터와, 상기 상부 테이블에 설치되며, 상기 설치 기준면의 진동에 의한 상부 테이블의 거동을 센싱하는 센서, 및 상기 액츄에이터 및 센서에 연결되며, 상기 상부 테이블의 거동에 따라 상기 상부 테이블에 제어력이 가해지도록 상기 센서의 센싱 결과를 근거로 상기 액츄에이터를 동작시키는 제어 유닛을 포함하는 복합형 방진 마운트 시스템을 개시한다..
상기 복수의 레벨링 유닛은 상기 하부 테이블의 모서리 영역에 각각 장착되며, 개별적으로 동작되어 상기 상부 테이블을 레벨링시키도록 구성될 수 있다.
상기 레벨링 유닛은 상기 구조물 및 상부 테이블의 하중을 지지하며 내부의 공기량에 따라 압축 또는 신장되는 공기 스프링으로 구현 가능하다.
상기 액츄에이터는 전기적 신호에 의해 압축 또는 신장되는 피에조 액츄에이터로서 구현 가능하다.
상기 피에조 액츄에이터는 내부 공간을 구비하는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 상호 레이어를 이루도록 배치되는 복수의 피에조 소자와, 상기 상부 테이블을 지지하도록 상기 피에조 소자의 상면에 설치되며 상기 피에조 소자의 변형에 따라 상부 테이블을 가동시키는 가동부재를 포함할 수 있다.
상기 센서는 상기 상부 테이블의 가속도를 센싱하는 가속도 센서로서 구현 가능하다. 이러한 경우, 상기 제어 유닛은 상기 상부 테이블의 가속도 정보와, 상기 상부 테이블의 가속도로부터 계산된 속도 및 변위 정보를 근거로 상기 액츄에이터를 제어한다.
한편, 본 발명은 구조물을 지지하기 위한 구조물 지지대와, 설치 기준면 상에 설치되어 상기 구조물 및 구조물 지지대의 하중을 지지하며 상기 설치 기준면에서 발생하는 진동을 흡수하는 복수의 공기 스프링과, 상기 구조물 지지대와 공기 스프링 사이에 직렬로 연결되며 전기적 신호에 의해 압축 또는 신장되는 복수의 피에조 액츄이에터와, 상기 구조물 지지대에 설치되며 상기 설치 기준면의 진동에 의한 구조물 지지대의 거동을 센싱하는 센서, 및 상기 피에조 액츄에이터 및 센서에 연결되며, 상기 구조물 지지대의 거동에 따라 상기 구조물 지지대에 제어력이 가해지도록 상기 센서의 센싱 결과를 근거로 상기 피에조 액츄에이터를 동작시키는 제어 유닛을 포함하는 복합형 방진 마운트 시스템을 개시한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 레벨링 유닛과 액츄에이터를 직렬로 연결하는 구성을 통해 구조물의 레벨링 기능과 방진 기능을 동시에 구현되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 레벨링 유닛으로서 공기 스프링을 사용하여 액츄에이터 및 그 상부 하중을 지지하도록 하여, 공기 스프링의 방진 특성을 충분히 획득할 수 있는 구조를 제공한다.
또한, 본 발명은 액츄에이터로서 피에조 액츄에이터를 적용하여 고주파수 영역에서의 방진 특성을 향샹시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 방진 마운트 시스템의 사시도.
도 2는 도 1의 복합형 방진 마운트 시스템의 구성을 개념적으로 나타낸 시스템 구성도.
도 3은 도 2에 도시된 제어 유닛의 제어 로직을 나타내는 도면.
도 4는 도 1에 도시된 액츄에이터의 구조를 나타내는 단면도.
도 5는 피에조 액츄에이터의 동작 특성을 나타내는 그래프.
이하, 본 발명과 관련된 복합형 방진 마운트 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 방진 마운트 시스템의 사시도이고, 도 2는 도 1의 복합형 방진 마운트 시스템의 구성을 개념적으로 나타낸 시스템 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 방진 마운트 시스템은 하부 테이블(110), 상부 테이블(120), 레벨링 유닛(130), 액츄에이터(140), 센서(150), 및 제어 유닛(160)을 포함한다.
하부 테이블(110)은 설치 기준면(예를 들어, 지면, 건물의 바닥면 등)에 설치되며, 시스템의 전체 구성을 지지하는 기능을 한다.
상부 테이블(120)은 하부 테이블(110)의 상측에 배치되며, 구조물(예를 들어, 반도체 장비의 정밀 장비)를 지지하는 기능을 한다. 이러한 관점에서, 상부 테이블(120)은 '구조물 지지대'로서 지칭되는 것도 가능하다.
레벨링 유닛(130)은 하부 테이블(110)의 상면에 설치되며, 상부 테이블(120)이 수평 상태에 있을 수 있도록 상부 테이블(120)를 레벨링시키는 기능을 한다. 레벨링 유닛(130)은 복수로 구비되어, 하부 테이블(110)의 복수의 개소에 장착될 수 있다. 본 실시예는 상부 테이블(120)와 하부 테이블(110)이 각각 사각 플레이트의 형태를 갖는 것을 예시하고 있으며, 이러한 경우 레벨링 유닛(130)은 하부 테이블(110)의 모서리 영역(즉, 총 4개의 영역)에 장착 가능하다.
레벨링 유닛(130)들은 각각 개별적으로 동작되어 상부 테이블(120)을 레벨링시키도록 구성된다. 이를 통해, 상부 테이블(120)의 수직 방향(Z), 롤 방향(R), 피치 방향(P)에 대한 레벨링 기능의 구현이 가능하다.
본 실시예에 따르면, 레벨링 유닛(130)은 내부의 공기량에 따라 압축 또는 신장되는 공기 스프링의 형태로 구현된다. 공기 스프링에는 공기를 주입하거나 배출시킬 수 있는 밸브가 구비되며, 이를 통해 공기 스프링 내부의 공기량을 조절하게 된다.
레벨링 유닛(130)이 공기 스프링의 형태로 구현된 경우, 공기 스프링은 구조물과 상부 테이블(120)의 전체 하중을 지지하는 역할을 한다. 아울러, 공기 스프링은 설치 기준면에서 발생하는 진동을 흡수하는 '수동형 방진기'로서의 기능을 한다.
한편, 본 실시예에서는 레벨링 유닛(130)이 하부 테이블(110)에 설치된 것을 예시하고 있으나, 하부 테이블(110)을 설치하지 않고 레벨링 유닛(130)을 설치 기준면에 직접 설치하는 것도 가능하다 할 것이다.
액츄에이터(140)는 상부 테이블(120)과 레벨링 유닛(130)의 사이에 설치된다. 즉, 액츄에이터(140)는 레벨링 유닛(130)과 직렬로 연결되어 상부 테이블(120)과 연결된다. 액츄에이터(140)는제어 유닛(160)의 제어에 의해 상부 테이블(120)에 힘을 가하는 기능을 한다. 예를 들어, 상부 테이블(120)이 설치 기준면의 진동에 의해 진동할 경우, 액츄에이터(140)는 이를 보상할 수 있도록 상부 테이블(120)에 힘을 가한다. 이러한 측면에서, 액츄에이터(140)는 '능동형 방진기'로 불릴 수 있다. 액츄에이터(140)는 피에조 소자, 전자석 등을 이용하여 다양한 형태로 구현 가능하다.
본 실시예와 같이 레벨링 유닛(130)이 공기 스프링으로 구현되는 경우, 공기 스프링이 상부 테이블(120) 및 구조물의 전체 하중을 지지하고 있는 바, 액츄에이터(140)에는 공기 스프링에 연결되어 있어 상부의 하중을 전혀 받고 있지 않다. 즉, 액츄에이터(140)는 순수하게 동적 하중만을 담당하는 역할을 한다.
한편, 액츄에이터(140)와 레벨링 유닛(130)의 사이에는 제1지지 플레이트(171)가 설치되고, 레벨링 유닛(130)과 하부 테이블(110)의 사이에는 제2지지 플레이트(172)가 추가로 설치될 수 있다. 이러한 경우, 제1지지 플레이트(171)는 액츄에이터(140)와 레벨링 유닛(130)에 체결되고, 제2지지 플레이트(172)는 하부 테이블(110)와 레벨링 유닛(130)에 각각 체결될 수 있다.
센서(150)는 상부 테이블(120) 상에 설치되며, 설치 기준면의 진동에 의한 상부 테이블(120), 즉. 구조물의 거동을 센싱한다. 예를 들어, 센서(150)는 상부 테이블(120)의 변위, 속도, 가속도 중 적어도 하나를 센싱하며, 이를 제어 유닛(160)에 인가한다.
제어 유닛(160)은 액츄에이터(140)와 센서(150)에 연결되며, 센서(150)의 센싱 결과를 근거로 액츄에이터(140)를 동작시키는 기능을 한다. 즉, 설치 기준면에 진동이 발생하여 상부 테이블(120)에 진동이 발생하면, 센서(150)는 상부 테이블(120)의 거동을 센싱하여 제어 유닛(160)에 인가하고, 제어 유닛(160)은 이를 근거로 상부 테이블(120)의 진동을 보상할 수 있도록 액츄에이터(140)가 제어력을 발생시키도록 한다. 예를 들어, 상부 테이블(120)가 아래로 거동한 경우, 액츄에이터(140)는 상부 테이블(120)가 위로 거동할 수 있도록 제어력을 전달하게 되는 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 제어 유닛의 제어 로직을 나타내는 도면이다.
본 실시예에 의하면, 제어 유닛(160)은 PID 제어(비례-적분-미분 제어)를 통해 제어력을 제어한다. 센서(150)로서 상부 테이블(120)의 가속도를 센싱하는 가속도 센서가 사용되었다. 가속도 센서는 상부 테이블(120)의 수직 방향(Z), 롤 방향(R), 피치 방향(P)의 3 자유도 운동을 고려하기 위해 상부 테이블(120)의 가속도 응답을 센싱한다. 가속도 센서를 통해 얻은 가속도 성분을 적분하여 상부 테이블(120)의 속도 및 변위 정보를 계산할 수 있다.
제어 유닛(160)은 상기와 같이 산정된 가속도, 속도, 및 변위 정보를 근거로 액츄에이터(140)가 발생하는 제어력을 제어하게 된다.
본 실시예에서는 제어 유닛(160)의 제어 방식으로 PID 제어를 예시하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 피드 포워드 제어 방식을 통해서 제어 로직을 구현하는 것도 가능하다 할 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 액츄에이터의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 액츄에이터로서 전기적 신호에 의해 압축 또는 신장되는 피에조 액츄에이터가 적용된 것을 예시하고 있다. 이를 참조하면, 피에조 액츄에이터는 하우징(131), 피에조 소자(132), 가동 부재(133)를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
하우징(131)은 피에조 액츄에이터(140)의 외관을 구성하고, 피에조 소자(132)를 수용하기 위한 내부 공간을 갖는다.
피에조 소자(132)는 하우징(131)의 내부에 상호 레이어를 이루도록 적층되며, 전압이 인가됨에 따라 압축되거나 신장된다. 전압의 인가량에 따라 피에조 소자(132)의 변형량을 조절할 수 있으며, 그에 따라 상부 테이블(120)에 전달되는 힘의 세기를 조절할 수 있다.
가동 부재(133)는 피에조 소자(132)들 중 맨 위의 소자의 상면에 설치되며, 상부 테이블(120)를 지지한다. 가동 부재(133)는 피에조 소자(132)의 변형에 따라 상부 테이블(120)을 가동시킨다.
상부 테이블(120)의 하면에는 가동 부재(133)와 체결되는 체결 부재(181)가 추가적으로 설치될 수 있다. 가동 부재(133)에는 수나사가 형성되고, 체결 부재(181)는 암나사가 형성된 나사홀이 형성되어, 이들 사이는 볼트 체결 방식에 의해 체결 가능하다. 이러한 방식 이외에도 가동 부재(133)와 체결 부재(181)는 다양한 방식에 의해 결합 가능하다. 체결 부재(181) 또한 상부 테이블(120)의 하면에 볼트 등을 통해 체결 가능하다.
또한, 제1지지 플레이트(171)와 하우징(131)의 사이에도 이들 사이의 체결을 위한 체결 부재(182)가 설치될 수 있으며, 체결부재(182)는 하우징(131)과 제1지지 플레이트(171)에 각각 체결된다.
이러한 체결 부재(181,182)의 체결 구조를 통해, 액츄에이터(140)를 상부 테이블(120)에 강건하면서 용이하게 연결할 수 있으며, 수직 방향으로 힘을 정확하게 전달할 수 있다.
상기와 같이, 액츄에이터(140)로서 피에조 액츄에이터를 사용한 경우 고주파수(200Hz 이상) 영역에서의 방진 성능을 향상시킬 수 있다.
도 5는 피에조 액츄에이터의 동작 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 주파수 대비 피에조 액츄이에터에서 낼 수 있는 힘을 나타내고 있으며, 이에 의하면 저주파수에서 발생하는 힘은 미약하나 주파수가 높을수록 힘이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 피에조 액츄에이터는 고주파수 영역에서 제어력을 전달하기에 매우 적합한 구조임을 알 수 있다.
본 발명에서는 저주파수(100Hz 미만) 영역에서의 방진 특성은 공기 스프링을 통해 확보하고, 피에조 액츄에이터를 이용하여 고주파수 영역에서의 방진 성능을 향상시켰다.
이상에서는 본 발명에 따른 복합형 방진 마운트 시스템을 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하였으나,　본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (8)

  1. 설치 기준면에 설치되는 하부 테이블;
    상기 하부 테이블의 상측에 배치되며, 구조물을 지지하는 상부 테이블;
    상기 하부 테이블의 상면에 설치되며, 상기 상부 테이블이 수평 상태에 있을 수 있도록 상기 상부 테이블을 레벨링시키는 복수의 레벨링 유닛;
    상기 레벨링 유닛과 상부 테이블의 사이에 설치되는 복수의 액츄에이터;
    상기 상부 테이블에 설치되며, 상기 설치 기준면의 진동에 의한 상부 테이블의 거동을 센싱하는 센서; 및
    상기 액츄에이터 및 센서에 연결되며, 상기 상부 테이블의 거동에 따라 상기 상부 테이블에 제어력이 가해지도록 상기 센서의 센싱 결과를 근거로 상기 액츄에이터를 동작시키는 제어 유닛을 포함하는 복합형 방진 마운트 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 레벨링 유닛은 상기 하부 테이블의 모서리 영역에 각각 장착되며, 개별적으로 동작되어 상기 상부 테이블을 레벨링시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 복합형 방진 마운트 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 레벨링 유닛은,
    상기 구조물 및 상부 테이블의 하중을 지지하며, 내부의 공기량에 따라 압축 또는 신장되는 공기 스프링인 것을 특징으로 하는 복합형 방진 마운트 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터는,
    전기적 신호에 의해 압축 또는 신장되는 피에조 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 복합형 방진 마운트 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 피에조 액츄에이터는,
    내부 공간을 구비하는 하우징;
    상기 하우징의 내부에 상호 레이어를 이루도록 배치되는 복수의 피에조 소자;
    상기 상부 테이블을 지지하도록 상기 피에조 소자의 상면에 설치되며, 상기 피에조 소자의 변형에 따라 상부 테이블을 가동시키는 가동 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 방진 마운트 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 테이블의 하면에는 상기 가동 부재와 체결되는 체결 부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 복합형 방진 마운트 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 상기 상부 테이블의 가속도를 센싱하는 가속도 센서이며,
    상기 제어 유닛은 상기 상부 테이블의 가속도 정보와, 상기 상부 테이블의 가속도로부터 계산된 속도 및 변위 정보를 근거로 상기 액츄에이터를 제어하는 것을 특징으로 하는 복합형 방진 마운트 시스템.
  8. 구조물을 지지하기 위한 구조물 지지대;
    설치 기준면 상에 설치되어 상기 구조물 및 구조물 지지대의 하중을 지지하며, 상기 설치 기준면에서 발생하는 진동을 흡수하는 복수의 공기 스프링;
    상기 구조물 지지대와 공기 스프링 사이에 직렬로 연결되며, 전기적 신호에 의해 압축 또는 신장되는 복수의 피에조 액츄이에터;
    상기 구조물 지지대에 설치되며, 상기 설치 기준면의 진동에 의한 구조물 지지대의 거동을 센싱하는 센서; 및
    상기 피에조 액츄에이터 및 센서에 연결되며, 상기 구조물 지지대의 거동에 따라 상기 구조물 지지대에 제어력이 가해지도록 상기 센서의 센싱 결과를 근거로 상기 피에조 액츄에이터를 동작시키는 제어 유닛을 포함하는 복합형 방진 마운트 시스템.
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