두가지 드라이브의 장점을 활용한 하이브리드 나노 포지셔닝 시스템

PI Korea

1. 소개

하이브리드 드라이브는 두 가지 다른 드라이브 개념을 높은 성능과 정밀한 포지셔닝 시스템으로 결합한다. 이것은 두 드라이브의 장점을 모두 활용한다. 이런 유형의 해결책은 드라이브 하나로 애플리케이션의 모든 요구 사항을 충족할 수 없을 때 늘 요구된다.

예로, 긴 거리에서 무거운 무게를 나노미터 단위로 정밀하게 이동시켜야 할 때가 있다. 정밀 포지셔닝 시스템은 피에조 드라이브와 클레식 드라이브를 결합하여 실질적인 해결책을 제시한다. 또한 다른 드라이브 개념도 가능하다.

하이브리드 드라이브는 반도체 제조에서 품질 보증과 광학 검사 그리고 생체 공학에 이르기까지 여러 분야에 적용된다.
 

2, 전동기와 보이스 코일의 하이브리드 개념

하이브리드 포지셔닝 시스템을 위해 여러 개념이 개발되고 구현됐다. 이를테면 리니어 모터와 보이스 코일 액추에이터를 조합한 해결책이 있다(그림 1 참조).

리니어 모터는 높은 포지셔닝 정확도와 반복성을 갖춘 긴 주행 ​​거리를 제공하지만 부하를 감당하기 위해 쓰이는 리니어 가이드의 마찰이 높다는 단점이 있다. 그런데도 보이스 코일 액추에이터는 정밀한 포지셔닝은 물론, 양호한 힘 제어와 부드러운 동작을 제공한다. 그러나 이동 범위는 100 mm로 제한되며 전원이 켜지면 부하에서 벗어날 수 없다.
 

3. 피에조 워킹 드라이브와 피에조 액추에이터의 하이브리드 개념

PI는 이미 반도체 검사와 같은 다른 애플리케이션에 대한 추가 하이브리드 드라이브 개념을 성공적으로 개발하고 확립했다.

높은 강성의 긴 이동 범위를 제공하는 PiezoWalk^? 드라이브는 하이 다이내믹 애플리케이션을 위한 PICMA^? 액추에이터와 결합된다(그림 2 참조). 이 경우, PiezoWalk^? 드라이브 디자인으로 높은 지지력을 실현하는 장점이 있다. 이때 PICMA^? 드라이브의 높은 다이내믹 특성은 스캔 대상을 빠르게 초점 맞추는 데 중요하다.

4. 전기 모터와 피에조 액추에이터의 하이브리드 개념

PI는 칠레의 아타카마 사막에서 3,000미터 높이의 Cerro Amazones에, 세계 최대의 지상 망원경이 될 유럽 남반구 전망대(ESO)의 엔지니어와 천문학자들과 함께 프로젝트를 진행하고 있다(그림 3 참조).

망원경은 직경 39미터의 메인 미러(M1)와 798개의 독립적인 미러 세그먼트로 혁신적인 디자인으로 구성되었다. 각 미러 세그먼트는 1.4m 직경을 가지며 공칭 이동 범위가 ±5mm인 독립형 하이브리드 드라이브 3개로 배치된다(그림 4 참조).

이것을 만들기 위해 상당한 무게를 이동시켜야 한다. 지지대를 포함한 각 미러 세그먼트의 무게는 약 250kg이다. 망원경의 각양각색의 배치로 인해 총 2,394개의 액추에이터가 463과 1,050N 사이의 밀기/당기기 힘으로 움직이고 고정할 수 있어야 한다(그림 5 참조).

이 망원경의 가장 중요한 임무 중 하나는 연구원들이 태양계 밖의 행성인 Exoplanets를 찾기 위해 우주의 가장 선명한 이미지를 제공하는 것이다. 따라서 가장 큰 기술 과제는 최대 편차 2nm의 범위에서 미러 세그먼트를 움직이는 것이다.

이와 같은 높은 경로 정확도를 달성하기 위해, PI는 무거운 무게와 긴 이동 범위에 적합한 모터 구동 나사가 피에조 액추에이터와 결합된 하이브리드 개념을 개발했다(그림 6 참조). 매우 다른 두 드라이브를 직렬로 결합하면 강력하고 정밀도가 높은 포지셔닝 시스템을 얻을 수 있다(그림 7 참조).

4.1 서브 나노미터 정확도를 갖춘 피에조 액추에이터의 위치 정밀도

피에조 재료에 전류를 가할 때 생기는 정밀 모션은 나노 포지셔닝에 특히 중요하다. 전력은 결정성 고체 상태에서 기계 에너지로 직접 변환되며 이는 회전이나 마찰 부품이 없음을 뜻한다.

피에조 액추에이터는 정밀도가 높고 마모가 없으며, 유지보수도 필요없다. 이것은 톤 단위의 하중도 옮길 수 있다. 전기 관련해서는 정전 용량 부하로 작용하며 정전기 작동에는 사실상 전력이 필요하지 않다. 전원 회로의 동작은 전기 콘덴서와 매우 비슷해, 정전기 상태에서 열을 만들어내지 않는다.

피에조 액추에이터의 수명도 길다. PICMA^? 다층 액추에이터(그림 8 참조)의 경우 세라믹 박막으로 둘러싸, 공기 습도와 누설 전류로부터 액추에이터를 보호하는 절연층을 만든다. 이러한 액추에이터의 일체형 피에조 세라믹 블록은 극단적인 주변 조건과 높은 온도 차이에도 매우 정확하다.

망원경 세그먼트를 위한 하이브리드 구동에 쓰이는 피에조 액추에이터는 고도가 3,000m인 Atacama 사막의 불리한 환경에서 필요한 30년의 수명에 도달하기 위해 질소로 채워진 밀폐된 금속 벨로우즈로 캡슐화된다(그림 9 참조).

4.2 두 드라이브 시스템용 고해상도 센서

하이브리드 드라이브의 또 다른 특징은 공통의 고해상도 센서로서 두 드라이브를 동시에 제어할 수 있다. 이것은 전체 이동 범위에서 피에조 액추에이터의 고해상도를 구현하는 단 하나뿐인 방법이다.

고해상도 센서는 드라이브 축 근처에 배치되는 인크리멘털 광학 엔코더이다(그림 10). 이 센서는 0.1 나노미터의 분해능으로 작동하며 Atacama 사막의 망원경 위치에서 변화하는 환경 조건에 민감하지 않다.

모터 드라이브 스크루는 몇 밀리미터에서 최대 1미터 높이의 무거운 하중과 긴 주행 ​​거리에 적합하다. 피에조 액추에이터는 액추에이터 길이의 약 0.1~0.15%의 공칭 변위를 제공하지만, 고해상도 센서 하나로 서브 나노미터 범위에서 포지셔닝 정확도를 달성하므로 모터 드라이브 스크루의 부정확성을 보상할 수 있다. 드라이브 스크루는 고비율 감속기를 통해 브러시리스 고토크 모터로 구동된다.

기어 헤드는 제로 플레이 작동(zero-play operation)과 일정한 변속비를 보장한다. 따라서 대량을 움직여도 모터는 매우 작을 수 있다. 또한 높은 변속기는 정지 상태에서 모터의 자체 잠금을 지원한다.

전용 제어기가 두 드라이브를 동시에 제어하며 고해상도 위치 측정 시스템을 제어한다. 서보 알고리즘은 모터와 피에조 시스템을 단일 구동 장치로 간주하고 실제 동작을 계산된 궤도와 비교한다.

하이브리드 드라이브의 제어 원리는 이해하기 쉽다(그림 11).

모터 전압은 피에조 제어 전압에서 유도된다. 이 전압이 높을수록 모터가 더 빨리 작동한다. 피에조가 팽창하면 모터가 드라이브 스크루를 같은 방향으로 구동한다. 이렇게 해서 구동 나사의 대략적인 위치 결정은 피에조의 정밀한 위치 지정으로 보완된다. 동시에 드라이브 스크루는 늘 피에조를 자동으로 영점 위치로 이동시킨다. 이렇게 하면 양쪽 방향에서 위치를 수정할 수 있는 가장 좋은 기회를 얻을 수 있다. 이런 방식으로 비교적 긴 이동 ​​거리는 위치 결정이 매우 정확해진다.

하이브리드 드라이브의 특성은 망원경에 유용하다. 그뿐만 아니라 고정밀 위치를 감지하고 긴 이동 범위에서 반복해서 이동하거나 나노미터 정밀도로 목표 위치에 도달해야 하는 경우, 실질적인 해결책이 된다.

다른 일반적인 응용 분야로는 측정 기술, 표면 검사, 반도체 제조, 현미경 또는 레이저 기술이 있다.

자료 제공: PI Korea(www.pi.ws)