KR100396021B1 - 초정밀 이송장치 - Google Patents

초정밀 이송장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100396021B1
KR100396021B1 KR10-2001-0028892A KR20010028892A KR100396021B1 KR 100396021 B1 KR100396021 B1 KR 100396021B1 KR 20010028892 A KR20010028892 A KR 20010028892A KR 100396021 B1 KR100396021 B1 KR 100396021B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hinge
hinge member
ultra
base
lever
Prior art date
Application number
KR10-2001-0028892A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20020090396A (ko
Inventor
박희재
박종호
Original Assignee
박희재
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 박희재 filed Critical 박희재
Priority to KR10-2001-0028892A priority Critical patent/KR100396021B1/ko
Priority to PCT/KR2001/001339 priority patent/WO2002100591A1/en
Priority to JP2003503396A priority patent/JP3992681B2/ja
Priority to US10/478,715 priority patent/US6860020B2/en
Publication of KR20020090396A publication Critical patent/KR20020090396A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100396021B1 publication Critical patent/KR100396021B1/ko

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q16/00Equipment for precise positioning of tool or work into particular locations not otherwise provided for
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/44Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms
    • B23Q1/50Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with rotating pairs only, the rotating pairs being the first two elements of the mechanism
    • B23Q1/54Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with rotating pairs only, the rotating pairs being the first two elements of the mechanism two rotating pairs only
    • B23Q1/5406Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with rotating pairs only, the rotating pairs being the first two elements of the mechanism two rotating pairs only a single rotating pair followed perpendicularly by a single rotating pair
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B23Q1/34Relative movement obtained by use of deformable elements, e.g. piezoelectric, magnetostrictive, elastic or thermally-dilatable elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/44Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms
    • B23Q1/48Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs and rotating pairs
    • B23Q1/4852Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs and rotating pairs a single sliding pair followed perpendicularly by a single rotating pair
    • B23Q1/4866Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs and rotating pairs a single sliding pair followed perpendicularly by a single rotating pair followed perpendicularly by a single sliding pair
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/44Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms
    • B23Q1/56Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism
    • B23Q1/60Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism two sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism
    • B23Q1/62Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism two sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism with perpendicular axes, e.g. cross-slides
    • B23Q1/621Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism two sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism with perpendicular axes, e.g. cross-slides a single sliding pair followed perpendicularly by a single sliding pair
    • B23Q1/626Movable or adjustable work or tool supports using particular mechanisms with sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism two sliding pairs only, the sliding pairs being the first two elements of the mechanism with perpendicular axes, e.g. cross-slides a single sliding pair followed perpendicularly by a single sliding pair followed perpendicularly by a single sliding pair
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S248/00Supports
    • Y10S248/913Two axis article engaging means, e.g. x - y device
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00Machine element or mechanism
    • Y10T74/20Control lever and linkage systems
    • Y10T74/20207Multiple controlling elements for single controlled element
    • Y10T74/20341Power elements as controlling elements
    • Y10T74/20354Planar surface with orthogonal movement only

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Details Of Measuring And Other Instruments (AREA)
  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)

Abstract

본 발명은 초정밀 이송장치를 개시한다. 본 발명에 따른 초정밀 이송장치는 베이스와 이 베이스에 대하여 운동할 수 있도록 베이스의 상부에 배치되는 모션스테이지의 사이에 수평으로 배치되는 구동기와, 베이스와 구동기의 일단에 각각 고정되고 원형힌지를 갖는 제1 힌지부재와, 구동기의 타단에 고정되며 원형힌지를 갖는 제2 힌지부재와, 모션스테이지에 고정되고 제1 원형힌지와 제2 원형힌지를 갖는 제3 힌지부재와, 베이스에 제2 힌지부재 및 제3 힌지부재와 연동하도록 고정되며 노치형힌지를 갖는 레버부재로 구성된다. 본 발명에 의하면, 마이크로미터 이하 수준의 미세 운동을 정확하게 수행할 수 있으며, 전체 높이를 크게 낮출 수 있고, 모션스테이지 자체의 강성을 증대시킬 수 있다. 또한, 탄성을 갖는 힌지구조에 의하여 간섭에 의한 마모가 없고 매우 높은 반복 정밀도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 연속적이고 원활한 미세 운동을 수행할 수 있다.

Description

초정밀 이송장치{ULTRA-PRECISION MOVING APPARATUS}
본 발명은 초정밀 이송장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로 미터 이하 수준의 미세 운동을 정확하게 수행할 수 있는 초정밀 이송장치에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 산업현장의 각 분야에서 초정밀급 위치결정기술의 중요성은 날로 증대되고 있다. 특히, 반도체 기술의 발전은 회로의 고집적화를 불러온 결과, 최신 마이크로프로세서의 경우 사용되는 선폭이 0.18㎛ 수준으로 머리카락 굵기의 1/500 수준이며, 이 경우 웨이퍼를 제작하는 스테이지에 요구되는 정밀도는 선폭의 1/10 수준으로 20㎚의 재현성(Reproducibility)이 요구된다. 또한, 서브미크론 수준의 초정밀 이송장치의 구현은 원자간력현미경(AFM; Atomic ForceMicroscope), 주사형전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)등의 초정밀 측정분야와 정보산업등의 산업분야에서도 활용될 수 있는 등 그 응용범위가 광범위하다.
리니어모터를 이용하거나 서보모터와 볼스크류를 이용하는 일반적인 위치결정장치는 비교적 긴 행정거리를 가지고 있으나 백래시등의 구조적인 한계로 인하여 구현할 수 있는 위치정밀도에 한계가 있다. 또한, 일반적인 위치결정장치에서는 수직방향의 운동을 얻기 위하여 구동기(Actuator) 자체를 수직방향으로 배열함으로써 시스템 전체의 높이가 높아지는 단점이 있다. 이것은 높은 정밀도를 필요로 하는 작업에서 수직방향의 위치를 제어하는데 많은 어려움을 수반시킨다.
한편, 마이크로미터 이하 수준으로 운동하는 초정밀 위치결정장치는 비선형적인 요인을 제거하거나 최소화하기 위하여 마찰하는 부분이 없도록 설계되어야 한다. 뿐만 아니라, 구동기 자체도 마이크로미터 이하의 수준으로 쉽게 구동되며, 반복성이 높은 요소를 사용하여야 한다. 또한, 위치결정장치의 높이를 가능한 낮게 설계할 필요가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로미터 이하 수준의 미세 운동을 정확하게 수행할 수 있는 초정밀 이송장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전체 높이가 매우 낮고, 모션스테이지 자체의 강성을 증대시킬 수 있는 초정밀 이송장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 매우 높은 반복 정밀도를 유지할 수 있으며, 연속적이고 원활한 미세 운동을 수행할 수 있는 초정밀 이송장치를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초정밀 이송장치는 베이스와 이 베이스에 대하여 운동할 수 있도록 베이스의 상부에 배치되는 모션스테이지의 사이에 수평으로 배치되는 구동기와; 베이스와 구동기의 일단에 각각 고정되고, 원형힌지를 갖는 제1 힌지부재와; 구동기의 타단에 고정되며, 원형힌지를 갖는 제2 힌지부재와; 모션스테이지에 고정되고, 제1 원형힌지와 제2 원형힌지를 갖는 제3 힌지부재와; 베이스에 제2 힌지부재 및 제3 힌지부재와 연동하도록 고정되며, 노치형힌지를 갖는 레버부재로 이루어져 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초정밀 이송장치가 적용되는 초정밀 위치결정시스템의 예를 개략적으로 나타낸 사시도,
도 2는 도 1의 초정밀 위치결정시스템에서 모션스테이지를 분리하여 나타낸 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 초정밀 이송장치의 구성을 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 초정밀 이송장치의 구성을 분리하여 나타낸 분리사시도,
도 5는 본 발명에 따른 초정밀 이송장치의 제어수단을 설명하기 위하여 나타낸 블록도,
도 6은 본 발명에 따른 원형힌지의 구성을 설명하기 위하여 부분적으로 나타낸 정면도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 초정밀 이송장치의 작용을 나타낸 단면도이다.
♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
10: 베이스 20: 모션스테이지
30: 압전소자 구동기 40: 제1 힌지부재
41: 원형힌지 43: 고정부
50: 제2 힌지 51: 원형힌지
53: 연장부 60: 고정블록
63: 패드 66: 서포트플레이트
70: 제3 힌지부재 71: 몸체부
73: 제1 원형힌지 74: 제2 원형힌지
80: 레버부재 81: 제1 레버
82: 제2 레버 83: 노치형힌지
이하, 본 발명에 따른 초정밀 이송장치에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 초정밀 이송장치는 고정적으로 설치되는 베이스(10)와, 베이스(10)의 상부에 위치하며 베이스(10)에 대하여 운동을 수행하는 모션스테이지(20)의 사이에 설치된다. 베이스(10)와 모션스테이지(20)의 사이에는 압전소자 구동기(30)가 수평으로 배치되어 있다. 본 실시예에서는 압전소자 구동기를 사용하고 있으나, 압전소자 구동기 대신에 음성코일 구동기(Voice Coil Actuator) 또는 자기 구동기(Magnetic Actuator)가 적용될 수 있다.
도 1, 도 3과 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 초정밀 이송장치는 압전소자 구동기(30)의 양단에 고정적으로 정렬되어 스테이지 구동부를 구성하는 원형힌지(41)를 갖는 제1힌지부재(40)와 원형힌지(51)를 갖는 제2 힌지부재(50)를 구비한다. 제1 및 제2 힌지부재(40, 50)의 원형힌지(41, 51)는 탄성힌지로서 힘과 변위의 관계가 선형적이고 재질자체의 탄성변형을 이용하여 변형운동을 한다. 또한, 원형힌지 (41, 51)는 접촉면에서의 상대운동이 없으므로 미소변위의 구동이 연속적이며, 원활한 운동궤적을 제공한다. 그리고, 취성재질은 피로나 과도한 힘에 의한 파괴 메카니즘을 용이하게 예측할 수 있으므로, 힌지구조를 탄성-취성 (Elastic-Brittle) 재질을 이용하여 제작할 경우 매우 높은 반복정밀도를 가지는 시스템에 적용하기가 쉽다.
압전소자 구동기(30)의 양단에는 제1 및 제2 힌지부재(40, 50)의 일단에 형성되어 있는 나사(42, 52)가 각각 체결된다. 제1 힌지부재(40)의 타단에 형성되어 있는 원통형 고정부(43)는 고정블록(60)의 구멍(61)에 끼워진다. 고정블록(60)의 양측에는 베이스(10)에 형성되어 있는 슬롯(11)과 정렬되도록 슬롯(62)이 형성되어 있고, 고정블록(60)의 슬롯(62)의 상부에는 패드(63)가 각각 배치되어 있다. 패드 (63)의 나사구멍(64)에는 베이스(10)의 슬롯(11)과 고정블록(60)의 슬롯(62)을 관통하여 나사(65)가 체결된다. 따라서, 고정블록(60)은 베이스(10)에 고정적으로 부착된다. 고정블록(60)의 구멍(61)에 끼워진 제1 힌지부재(40)의 고정부(43)를 지지할 수 있도록 서포트플레이트(66)의 중앙에 구멍(67)이 형성되어 있으며, 서포트플레이트(66)는 나사(68)의 체결에 의하여 고정블록(60)에 고정적으로 부착되어 제1 힌지부재(40)의 이탈을 방지한다.
한편, 제2 힌지부재(50)의 원형힌지(51)와 나사(52) 사이에 원통형 연장부(53)가 형성되어 있으며 타단에는 조인트플레이트(54)가 형성되어 있다. 제2 힌지부재(50)의 연장부(53)에는 압전소자 구동기(30)에 대하여 수직방향으로 배치되어 있는 제3 힌지부재(70)의 몸체부(71)의 구멍(72)이 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이 끼워진다. 제3 힌지부재(70)의 몸체부(71)의 상하에는 제1 원형힌지 (73)와 제2 원형힌지(74)가 각각 형성되어 있고, 제3 힌지부재(70)의 제1 원형힌지 (73)와 제2 원형힌지(74)에는 제1 조인트플레이트(75)와 제2 조인트플레이트(76)가 각각 연결되어 있다. 제3 힌지부재(70)의 제1 조인트플레이트(75)는 나사의 체결에 의하여 모션스테이지(20)의 저면에 고정적으로 부착된다. 본 실시예에 있어서는 제2 힌지부재(50)가 제3 힌지부재(70)를 개재하여 압전소자 구동기(30)에 고정되어 있으나, 제2 힌지부재(50)가 제3 힌지부재(70)를 개재함이 없이 압전소자 구동기 (30)에 고정될 수도 있다.
도 3, 도 4와 도 6a 및 도 6b를 함께 참조하면, 본 발명의 초정밀 이송장치는 제2 힌지부재(50) 및 제3 힌지부재(70)와 연동하는 레버부재(80)를 구비한다. 레버부재(80)는 제1 레버(81)와 제2 레버(82), 그리고 제1 레버(81)와 제2 레버 (82)를 일체형으로 연결하는 노치형힌지(83)로 구성되어 있다. 제1 레버(81)는 수평부(81a)와 수직부(81b)로 형성되어 있고, 제2 레버(82)는 제1 레버(81)의 수직부 (81b)에 대하여 직각을 이루도록 배치되어 있다. 제1 레버(81)의 수평부(81a)에는 제3 힌지부재(70)의 제2 조인트플레이트(76)가 나사(84)의 체결에 의하여 고정적으로 부착되며, 제1 레버(81)의 수직부(81b)에는 제2 힌지부재(50)의 조인트플레이트 (54)가 나사의 체결에 의하여 고정적으로 부착된다. 레버부재(80)의 제2 레버(82)는 나사의 체결에 의하여 베이스(10)의 상면에 고정적으로 부착된다.
도 1과 도 2를 다시 참조하면, 본 발명의 압전소자 구동기(30), 제1 힌지부재 (40), 제2 힌지부재(50), 고정블록(60), 제3 힌지부재(70)와 레버부재 (80)는 모두 베이스 (10)에 대하여 모션스테이지(20)를 수직방향으로 이동시키는 Z축병진운동 뿐만 아니라 X축회전운동 및 Y축회전운동시키는 제1 이송기구 (100), 제2 이송기구 (200)와 제3 이송기구 (300)를 구성한다. 한편, 본 발명에 따른 제1 내지 제3 이송기구 (100, 200, 300)는 X축병진운동, Y축병진운동 및 Z축회전운동을 수행하는 제4 이송기구(400), 제5 이송기구(500) 및 제6 이송기구(600)와 협동하여 베이스(10)에 대하여 모션스테이지(20)를 6자유도 운동시킨다.
제4 이송기구(400)는 베이스(10)에 대하여 모션스테이지(20)를 도 1에 도시한 바와 같이 X축병진운동시킨다. 제5 이송기구(500)와 제6 이송기구(600)는 협동하여 베이스(10)에 대하여 모션스테이지(20)를 Y축병진운동과 Z축회전운동시킨다. 제4 내지 제6 이송기구(400, 500, 600) 각각은 압전소자 구동기와, 압전소자 구동기 각각의 양단에 고정적으로 정렬되어 스테이지 구동부를 구성하는 원형힌지를 갖는 제1 힌지부재와 원형힌지를 갖는 제2 힌지부재로 구성된다. 제1 내지 제6 이송기구 (400, 500, 600)의 압전소자 구동기, 제1 힌지부재와 제2 힌지부재의 구성과 작용은 압전소자 구동기(30), 제1 힌지부재(40)와 제2 힌지부재(50)의 구성과 작용을 참고하고 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 5에는 본 발명의 초정밀 이송장치를 제어하기 위한 블록도가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 초정밀 이송장치는 모션스테이지(20)를 초정밀 운동시키기 위하여 압전소자 구동기(30)를 구동시키는 구동신호를 출력하고 제어하는 컨트롤러(90)와, 컨트롤러(90)로부터의 구동신호를 증폭하여 압전소자 구동기(30)에 입력하는 증폭기(91)와, 모션스테이지(20)의 운동 위치를 감지하는 센서 (92)를 구비한다. 본 실시예에 있어서 센서(92)는 모션스테이지(20)의 상면에 부착되는 미러(도시 안됨)와 이 미러에 레이저빔을 주사하는 레이저를 갖는 레이저 인터페로미터(Laser Interferometer)(도시 안됨)에 의하여 구성할 수 있다. 그리고, 도 2에 보이는 바와 같이, 압전소자 구동기(30)와 컨트롤러(90)는 케이블(93)에 의하여 전기적으로 접속되어 있다.
컨트롤러(90)의 제어에 의하여 압전소자 구동기(30)의 구동신호가 출력되고, 증폭기(91)에 의하여 증폭된 구동신호가 압전소자 구동기(30)에 입력되면, 압전소자 구동기(30)에는 각각 변위가 발생한다. 압전소자 구동기(30)에 발생되는 각각의 변위는 상술한 원형힌지(41, 51, 73, 74)들을 통하여 모션스테이지(20)에 전달됨으로써 모션스테이지(20)는 운동하게 된다. 모션스테이지(20)의 운동 위치는 센서 (92)에 의하여 감지되고, 컨트롤러(90)는 센서(92)로부터 입력되는 피드백신호에 따라 모션스테이지(20)의 운동 위치를 보정한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 초정밀 이송장치는 압전소자 구동기에 의하여 원형힌지가 탄성적으로 변형함으로써 힌지구조(Hinge Flexure)가 모션스테이지의 운동방향을 제한하거나 특정방향으로의 가이드 역할을 하여 모션스테이지를 운동시킨다. 힌지의 강성(Stiffness)값을 알면, 압전소자 구동기에 의하여 힌지에 힘이 가해졌을 때 모션스테이지의 이송량을 알 수 있다. 힌지의 축방향을축이라고 가정했을 때 힘과 변위 사이의 관계식은축 및 전단방향인,축에 대하여 수학식 1, 2 및 3과 같이 단순화할 수 있다. 이 관계식은 잘 알려진 것으로 파로스-와이스보드(Paros-Weisbord)에 의하여 구하여진 식이며, 많은 실험을 통하여 검증되어 있다.
여기서,는 도 5에 나타낸 바와 같이, 원형힌지의 반경과 두께를 각각 나타낸다. 또한,는 탄성계수,는 전단계수,은 토션모멘트,는 회전각도 를 나타낸다.
수학식 1, 2 및 3은 유한요소해석(Finite Element Method) 결과와 비교하여 10% 오차 범위내의 값을 가지므로, 원형힌지가 가지는 가공상의 오차 및 탄성재질의 이력현상(Hysteresis)을 고려하더라도 충분히 받아들일 수 있다.
한편, 본 발명의 힌지구조를 설계함에 있어 기본적으로 고려되어야 할 것은힌지에 걸리는 응력과 변형이다. 힌지를 설계할 경우, 힌지의 각변위(Angular Displacement)와 힌지의 최대응력()과의 관계는,
에 의하여 선형 변위를 알 수가 있다. 여기서,는 각변위,는 비례상수,는 수학식 5에서 정의된 상수,는 이송변위,은 힌지 유효 길이를 나타낸다. 따라서, 원하는 변위량을 얻기 위하여 적당한 재질을 선택함으로써 최대응력()과 탄성계수()를 알 수 있고, 수학식 4와 수학식 5의 반복적인 계산을 통하여 힌지의 반경()과 두께()를 알맞게 결정할 수가 있다. 이와 같이 결정된 반경()과 두께()를 수학식 1, 2, 3에 대입함으로써 힌지의 강성을 결정한다.
본 발명에 따른 초정밀 이송장치에서는 모션스테이지 자체의 강성을 높이면서 전체의 높이를 낮게 하기 위하여 수직방향과 관련해서 레버부재(80)을 이용했다. 모션스테이지(20)의 수직운동방향을 Z축이라고 했을 때 초정밀 이송장치의 구동시스템은 전체 형상의 높이를 최소화하고 시스템의 강성을 최대화하기 위하여 Z축방향에 대하여 낮은 높이 구조를 가져야 한다. 일반적으로 압전소자 구동기(30)의 최대팽창은 그 길이의 0.1% 정도에 불과하므로 필요로 하는 이송범위를 얻기 위해서는 압전소자 구동기의 길이가 길어야 한다. 예를 들어 125㎛ 이상의 이송을 위해서는 길이가 200㎜ 이상되는 압전소자 구동기가 필요하게 된다. 따라서, 본 발명에 의하여 이러한 압전소자 구동기의 길이를 고려하여 압전소자 구동기(30)을 수평으로 배치시키고, 압전소자 구동기(30)의 수평 움직임을 레버부재(80)에 의하여 수직 움직임으로 전달함으로써 본 발명에 따른 초정밀 이송장치의 높이를 낮게 할 수 있다.
레버부재(80)의 설계에 있어서 압전소자 구동기(30)에 의하여 전달되는 힘의 작용점인 노치형힌지(83)의 위치를 조정하여 실제 움직이는 모션스테이지(20)의 수직변위가 압전소자 구동기(30)의 수평변위의 두배와 같도록 하였다. 즉, 도 6a에 보이는 바와 같이, 제2 힌지부재(50)의 힌지(51)의 중심의 X축방향의 연장선과 레버부재(80)의 힌지(83) 중심과의 수직거리를, 제3 힌지부재(70)의 제1 및 제2 힌지(73, 74)의 중심의 Y축방향의 연장선과 레버부재(80)의 힌지(83) 중심과의 수평거리를라고 하면, 제4 압전소자 구동기(61)에 의하여 일어나는 제2 힌지부재(50)의 힌지(51)의 미소변위에 대한 레버부재(80)의 힌지(83)의 중심회전각도는 일정하므로,
와 같은 관계가 성립하게 된다. 수학식 6에서,는 레버부재(80)의 힌지 (83) 중심을 축으로 한 회전값,는 수직변위,는 수평변위를 나타낸다. 압전소자 구동기(30)에 의하여 제2 힌지부재(50)의 조인트플레이트(54)에 수평변위가 발생되면, 레버부재(80)의 힌지(83) 중심에서 수학식 6에 따라 변위의 증폭이 일어나고, 이것은 레버부재(80)의 제1 레버(81)와 제3 힌지부재(70)의 제2 조인트플레이트(76)에 의하여 수직방향의 변위로 전달된다.
본 발명의 압전소자 구동기와 힌지부재들로 이루어진 스테이지 구동부의 축방향 강성()은 다음의 수학식 7에 의하여 구할 수 있으며, 반경 방향 강성()은 수학식 8에 의하여 구할 수 있다.
여기서,는 압전소자의 강성을 나타내며, 수학식 7과 8에서은 압전소자 구동기를 포함하는 제1 힌지부재와 제2 힌지부재의 힌지의 중심 사이의 거리이다. 수학식 7과 8에 힌지의 반경()과 두께()를 대입함으로써 스테이지 구동부 전체의 강성을 알 수 있다.
지금부터는 본 발명의 초정밀 이송장치에 대한 작용을 설명한다. 이하의 수학식들에서, Z축병진운동은로 나타내고, X축회전운동은, Y축회전운동은로 나타내며, 제1 내지 제3 이송기구(100, 200, 300)의 압전소자 구동기 각각의 구동신호는,이다.
본 발명의 제1 내지 제3 이송기구(100, 200, 300)는 3자유도, 즉 Z축병진운동, X축회전운동(), Y축회전운동()을 구현하고 있다.
컨트롤러(90)의 제어에 의하여 제1 내지 제3 이송기구(100, 200, 300) 각각의 압전소자 구동기에 동일한 양의 구동신호가 입력되면, 수학식 9에 의하여 알 수 있는 바와 같이 모션스테이지(20)의 Z축병진운동이 실행된다.
모션스테이지(20)의 Y축회전운동()은 컨트롤러(90)의 제어에 의하여 제1 이송기구(100)의 압전소자 구동기에는 구동신호가 입력되지 않고 제2 이송기구 (200)와 제3 이송기구(300)의 압전소자 구동기에 서로 다른 양의 구동신호가 입력될 경우 일어나게 된다. 즉, 제2 이송기구(200)와 제3 이송기구(300) 사이의 거리를(도1 참조)라고 했을 때 Y축회전운동()값은 수학식 10에 의하여 구할 수 있다.
모션스테이지(20)의 X축회전운동()은 컨트롤러(90)의 제어에 의하여 제2 이송기구(200)와 제3 이송기구(300)의 압전소자 구동기에 같은 양의 구동신호가 입력되고 제1 이송기구(100)의 압전소자 구동기에는 다른 값의 구동신호()가 입력될 경우 일어나게 된다. 즉, 제1 이송기구(100)와 제2 이송기구 (200) 또는 제3 이송기구(300) 사이의 거리를라고 했을 때 X축회전운동()값은 수학식 11에 의하여 구할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 초정밀 이송장치에 의하면, 압전소자 구동기, 원형힌지를 갖는 힌지부재와 노치형힌지를 갖는 레버부재에 의하여 마이크로미터 이하 수준의 미세 운동을 정확하게 수행할 수 있으며, 전체 높이를크게 감소시킬 수 있고, 모션스테이지 자체의 강성을 증대시킬 수 있다. 또한, 탄성을 갖는 힌지구조에 의하여 간섭에 의한 마모가 없고 매우 높은 반복 정밀도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 연속적이고 원활한 미세 운동을 수행할 수 있다.

Claims (5)

  1. 베이스와 이 베이스에 대하여 운동할 수 있도록 상기 베이스의 상부에 배치되는 모션스테이지의 사이에 수평으로 배치되는 구동기와;
    상기 베이스와 상기 구동기의 일단에 각각 고정되고, 원형힌지를 갖는 제1 힌지부재와;
    상기 구동기의 타단에 고정되며, 원형힌지를 갖는 제2 힌지부재와;
    상기 모션스테이지에 고정되고, 제1 원형힌지와 제2 원형힌지를 갖는 제3 힌지부재와;
    상기 베이스에 상기 제2 힌지부재 및 제3 힌지부재와 연동하도록 고정되며, 노치형힌지를 갖는 레버부재로 구성되는 초정밀 이송장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 힌지부재는 상기 베이스에 고정블록의 개재에 의하여 고정되고, 상기 제2 힌지부재와 상기 제3 힌지부재는 상기 레버부재에 각각 고정되는 초정밀 이송장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제3 힌지부재에는 상기 제2 힌지부재가 관통되어 끼워지는 초정밀 이송장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제2 힌지부재의 힌지중심의 X축방향의연장선과 상기 레버부재의 힌지중심과의 수직거리를라 하고, 상기 제3 힌지부재의 힌지중심의 Y축방향의 연장선과 상기 레버부재의 힌지중심과의 수평거리를라고 할 때,의 관계를 만족하는 초정밀 이송장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 레버부재는 상기 제2 힌지부재와 상기 제3 힌지부재가 각각 고정되는 수평부와 수직부를 갖는 제1 레버와, 이 제1 레버와 상기 노치형힌지에 의하여 연결되며 상기 베이스에 고정되는 제2 레버로 구성되는 초정밀 이송장치.
KR10-2001-0028892A 2001-05-25 2001-05-25 초정밀 이송장치 KR100396021B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0028892A KR100396021B1 (ko) 2001-05-25 2001-05-25 초정밀 이송장치
PCT/KR2001/001339 WO2002100591A1 (en) 2001-05-25 2001-08-06 Ultra-precision feeding apparatus
JP2003503396A JP3992681B2 (ja) 2001-05-25 2001-08-06 超高精度供給装置
US10/478,715 US6860020B2 (en) 2001-05-25 2001-08-06 Ultra-precision feeding apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0028892A KR100396021B1 (ko) 2001-05-25 2001-05-25 초정밀 이송장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20020090396A KR20020090396A (ko) 2002-12-05
KR100396021B1 true KR100396021B1 (ko) 2003-08-27

Family

ID=19709932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2001-0028892A KR100396021B1 (ko) 2001-05-25 2001-05-25 초정밀 이송장치

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6860020B2 (ko)
JP (1) JP3992681B2 (ko)
KR (1) KR100396021B1 (ko)
WO (1) WO2002100591A1 (ko)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7126674B2 (en) * 2004-06-14 2006-10-24 Asml Netherlands B.V. Positioning device and device manufacturing method
JP2006170971A (ja) * 2004-12-10 2006-06-29 Korea Electronics Telecommun 駆動ヘッド及びそれを備えた個人用原子顕微鏡
US7239107B1 (en) * 2006-02-24 2007-07-03 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Flexure stage
US8069748B1 (en) 2007-05-24 2011-12-06 Prefix Corporation XY linear slide mechanism
US8310128B2 (en) * 2008-05-07 2012-11-13 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois High precision silicon-on-insulator MEMS parallel kinematic stages
DE202008008821U1 (de) * 2008-08-28 2010-02-11 STABILA Messgeräte Gustav Ullrich GmbH Laservorrichtung
US20100275717A1 (en) * 2009-04-30 2010-11-04 Benoit Poyet Precision positioning device
CN103824601A (zh) * 2014-02-24 2014-05-28 中国科学院光电技术研究所 一种分体式带行程放大功能的柔性铰链
CN103990998B (zh) * 2014-05-20 2017-01-25 广东工业大学 基于应力刚化原理的刚度频率可调二维微动平台
US9874435B2 (en) 2014-05-22 2018-01-23 Samsung Electronics Co., Ltd. Measuring system and measuring method
CN108418464B (zh) * 2018-05-14 2024-01-19 西安科技大学 一种精密缩小柔性微动***
JP7501189B2 (ja) 2020-07-20 2024-06-18 ブラザー工業株式会社 制御装置、工作機械、制御方法、及び制御プログラム
KR102566361B1 (ko) 2021-07-23 2023-08-11 (주)신일팜글라스 정밀 이송장치

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5812335A (ja) * 1981-07-15 1983-01-24 Hitachi Ltd 微,粗動テ−ブル
JPH06204107A (ja) * 1992-12-25 1994-07-22 Canon Inc 位置決めステージ装置
JPH0786377A (ja) * 1993-09-10 1995-03-31 Canon Inc 位置決め装置
JPH09269389A (ja) * 1996-03-29 1997-10-14 Chichibu Onoda Cement Corp 圧電ユニット及びそれを用いた移動テーブル
JPH09300162A (ja) * 1996-05-08 1997-11-25 Olympus Optical Co Ltd 精密駆動機構
JPH1177473A (ja) * 1997-09-03 1999-03-23 Nikon Corp 送り装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5972727A (ja) * 1982-10-19 1984-04-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 位置合わせ用テ−ブル
JPH01244514A (ja) * 1988-03-26 1989-09-28 Omron Tateisi Electron Co 可動体の位置決め制御方法
JPH08190430A (ja) * 1995-01-12 1996-07-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 位置決めテーブル
JP2967264B2 (ja) * 1996-03-25 1999-10-25 セイコー精機株式会社 超精密位置決め装置
DE19962247A1 (de) * 1999-12-22 2001-09-20 Agie Sa Bewegungsübertragungsvorrichtung
US6434845B1 (en) * 2000-09-05 2002-08-20 University Of North Carolina At Charlotte Dual-axis static and dynamic force characterization device
US6817104B2 (en) * 2002-05-15 2004-11-16 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. X-Y stage apparatus
KR100497729B1 (ko) * 2003-02-21 2005-06-28 한국과학기술원 유연기구 메커니즘을 이용한 3축 직선운동 스테이지

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5812335A (ja) * 1981-07-15 1983-01-24 Hitachi Ltd 微,粗動テ−ブル
JPH06204107A (ja) * 1992-12-25 1994-07-22 Canon Inc 位置決めステージ装置
JPH0786377A (ja) * 1993-09-10 1995-03-31 Canon Inc 位置決め装置
JPH09269389A (ja) * 1996-03-29 1997-10-14 Chichibu Onoda Cement Corp 圧電ユニット及びそれを用いた移動テーブル
JPH09300162A (ja) * 1996-05-08 1997-11-25 Olympus Optical Co Ltd 精密駆動機構
JPH1177473A (ja) * 1997-09-03 1999-03-23 Nikon Corp 送り装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20040149067A1 (en) 2004-08-05
US6860020B2 (en) 2005-03-01
JP2004528190A (ja) 2004-09-16
JP3992681B2 (ja) 2007-10-17
WO2002100591A1 (en) 2002-12-19
KR20020090396A (ko) 2002-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100396020B1 (ko) 초정밀 위치결정시스템
KR100396021B1 (ko) 초정밀 이송장치
US7239107B1 (en) Flexure stage
KR20000062688A (ko) 광축에 따른 광학엘레멘트의 이동장치
US6606444B2 (en) Positioning device especially for assembling optical components
KR20060013219A (ko) 초정밀 위치제어 시스템
US7141914B2 (en) Micromanipulator including piezoelectric benders
US6840886B2 (en) Method and apparatus for a low cost, high speed, and compact nanometer precision motion stage using friction drive and flexure hinge
US7504794B2 (en) Planar motor
KR100381975B1 (ko) 무마찰탄성베어링을 이용한 다축스테이지 제어장치
JPH10186198A (ja) 平行・真直微動装置およびこれを用いたレンズ鏡筒の微小移動装置
JP3884288B2 (ja) 微小変位装置
KR100381974B1 (ko) 무마찰탄성베어링과 액튜에이터의 차동구동을 이용한3축스테이지 제어장치
JP2002022868A (ja) X−yステージの可動テーブルの支持構造
JPH04348834A (ja) 微小移動x−yテーブル
KR100434975B1 (ko) 범용 나노 스테이지의 구동장치 및 그 방법
KR100507840B1 (ko) 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 xy 스테이지
JP2000019415A (ja) 微動ステージ
EP1549458B1 (en) Two-dimensional displacement apparatus
JPH09305234A (ja) 変位量変換機構
JPS62125408A (ja) 微動機構
FI115572B (fi) Ohjausjärjestely mikromanipulaattorin yhteydessä
JPH04275074A (ja) 圧電駆動装置
JPH0360937A (ja) 微動ステージ装置
JPH02205433A (ja) 精密微少移動装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130705

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140702

Year of fee payment: 12

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150727

Year of fee payment: 13

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160727

Year of fee payment: 14

LAPS Lapse due to unpaid annual fee