40배 더 뛰어난 열관리 안정성을 제공하는 고성능 피에조 컨트롤러

애니모션텍

피에조 컨트롤러의 설계는 열 안정성에 상당한 영향을 미쳐 정밀 모션 애플리케이션에서 과도한 오류를 유발할 수 있다. 본문에서는 열적 문제들을 제어하기 위해 주로 사용하는 세 가지 기술과 열적 안정성을 위해 Aerotech의 피에조 컨트롤의 어떻게 설계됐는지 소개한다.

열적 안정성은 모든 정밀 모션에서 가장 중요하다. 각 요소 기계 및 전기 부품들의 열 전달은 모션 장비 위치 또는 누적 오차를 훨씬 초과하는 오류를 발생시킬 수 있다. 설계자가 정밀 기계 및 계측에서 열 문제들을 관리할 수 있는 방법은 세 가지가 있다.

• 기계 또는 기계가 위치한 주변 환경을 제어해야 한다.

일반적으로 근원적인 문제를 다루는 가장 좋은 접근 방식은 공기 및 온도 제어 시스템이 필요하나 이는 많은 비용이 소요될 수 있다.

• 열 변화를 측정하여 제어 시스템으로 보상해야 한다.

이 기술이 효과적일 수 있지만 이는 센서 네트워크와 정확한 시스템 모델이 요구된다. 시스템 모델은 기기, 기계 및 주변 환경을 합리적인 수준의 정확도로 설명한 고유한 모델이다.

• 열 변화에 민감하지 않도록 기계 또는 장치를 설계해야 한다.

이 기법은 일반적으로 가장 채택하기 어렵지만 올바르게 구현되면 매우 강력하고 비용 효율적일 수 있다.

정전용량 센서의 피드백이 있는 피에조 나노스테이지는 높은 수준의 정확도, 반복성, 해상도가 밀리초 시간 내에서 응답하며 정밀 공정에 주로 사용된다. 정전용량 센서의 피드백을 사용하는 피에조 스테이지가 장기적인 안정성을 확보하려면 디테일한 기계 설계가 필요하다.

그러나 대부분의 고객들은 피에조 컨트롤러 설계가 기계 및 장치의 열적인 안정성에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 알지 못한다. 설상가상으로 피에조 스테이지 전자 장치는 일반적으로 전기 캐비닛 또는 온도가 제어되지 않는 영역에 배치되어 프로세스의 명백한 열 드리프트를 유발한다.

열 안정성 테스트 비교

Aerotech은 커패시턴스 센서 피드백 회로를 환경 변화에 둔감하게 만드는 고급 열 안정성 기능으로 A3200 및 Ensemble QLAB, QDe 및 QLe 컨트롤러를 설계했다. 이 기능의 효과를 설명하기 위해 Aerotech A3200 QLe 컨트롤러와 주요 경쟁 컨트롤러 모두 테스트를 수행했다. 스테이지 디자인의 차이를 없애기 위해 매우 안정적인 낮은 CTE(열팽창 계수) 커패시터(1.3nm/°C 유효 열감도)가 두 컨트롤러의 피드백 입력에 연결되었다.

이 커패시터는 정전용량 센서의 피드백이 일정한 위치에 있는 피에조 스테이지를 모방한다. 컨트롤러와 피드백 커패시터는 1시간의 가열 주기와 1시간의 냉각 주기로 공기 온도가 약 7°C씩 변하는 작은 열 인클로저에 배치되었다. 위치 피드백과 공기 온도는 70시간 동안 모니터링 되었다. 이 테스트의 결과는 그림 1에 나와 있다.
2시간 동안의 가열 냉각 주파수의 테스트 결과는 QLe 열 감도가 약 1.4nm/°C 인 반면 경쟁사의 컨트롤러는 약 59nm/°C의 열 감도를 나타내고 있다.

요약

열 관리는 정밀 공정에서 매우 중요하다. 스테이지 기계 설계 외에도 피에조 스테이지의 커패시턴스 피드백에 사용되는 전자 장치는 공정에서 열 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. Aerotech의 고성능 피에조 컨트롤러는 경쟁 컨트롤러보다 40배 더 뛰어난 열 안정성을 제공한다.

자료 제공: 애니모션텍(www.animotion.co.kr)