In order to measure the mechanical-property of bio-molecules, we use a center-hollow type ultra-precision positioning stage, which is designed for an inverted microscope. Because the experiment takes several minutes, the stage should not have drift for several minutes. Nevertheless, the ultra-fine positioning stage has a lot of thermal drift. Especially, the thermal error in position-sensing system makes significant drift. To reduce the thermal drift, I suggest a sensing-assistant linkage for positioning stage.
To compensate the thermal expansion error in sensing system, we can use the Invar material and kinematic design. Because Invar has very low thermal expansion coefficient, and kinematic coupling makes the sensing-assistant linkage has the same thermal position to stage. So we can measure the center position with sensor mounted on the sensing-assistant linkage.
The concept of sensing-assistant system can be used to general positioning system. In application to 1-axis positioning stage, I designed the sensing-assistant linkage. And the simulation result shows that the kinematic hinge system maintain the same thermal expansion position and that the sensing-assistant system reduce the thermal drift by 95%. It also has good performance in non-uniform temperature environment. And I evaluated the sensing-assistant linkage as to several environmental change. It is robust about manufacturing errors, and it had allowable stress in hinge coupling, and it is stable for slow velocity of position control. But it is unstable for external impulse and force, so it is suitable only for Sensing-assistant linkage, not for Sub-stage of the positioning stage.
생체분자의 기계적 특성을 관찰하는 실험에서, 현미경의 위치제어 스테이지에 온도 드리프트(thermal drift)가 발생할 경우, 스테이지의 드리프트량과 생체 분자의 운동을 구분하기 어렵게 된다. 특히 위치측정 시스템에서 발생하는 열오차는 심각한 드리프트원이 된다. 본 연구에서는 정밀위치제어 스테이지의 온도 드리프트를 줄이기 위해, 측정보조링크의 사용을 제한한다. 측정시스템에서의 열팽창 오차를 보상하기 위해서, 인바 재료와 기구결합 설계 개념을 사용할 수 있다. 인바는 매우 낮은 열팽창계수를 가지고 있고, 기구결합은 측정보조링크와 위치제어스테이지가 같은 열팽창 중심을 유지할 수 있게 해준다. 그래서 만약 측정보조링크위에 탑재된 센서를 사용할 경우, 스테이지의 중심을 열팽창 오차없이 측정할 수 있다.
측정보조링크의 타당성 및 성능을 평가하기 위해, 1축 위치제어 스테이지에 적용할 수 있는 측정보조링크를 설계하였다. 시뮬레이션을 통한 분석결과, 측정보조링크의 중심과 스테이지의 중심의 상대위치가 유지되는 것을 확인하였고, 측정보조링크를 사용함으로서 온도차에 의한 위치 측정 에러를 95%이상 줄일 수 있음을 확인하였다. 또한 열팽창에 따른 측정보조링크의 변형량과 이에 따른 응력해석을 하였고, 측정보조링크가 제작, 조립오차들에 대해 성능이 강건함을 확인하였다. 그리고 측정보조링크의 동적해석을 통해서, 측정보조링크가 낮은 속도의 구동에는 안정적이지만, 충격량과 외부힘에는 불안정을 확인하였다.
동적해석 결과로부터, 측정보조링크를 현미경 탑재식 스테이지에 적용시, 필요한 위지제어 스테이지의 구동속도 및 측정보조링크와 현미경 시스템과의 결합방식을 제안하였다.
