KR100483954B1 - 솔레노이드와 영구자석을 갖는 선형구동기를 이용한 3축스테이지 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석이 만드는 자속 흐름 내부에 대칭적으로 코일을 배치시키고, 이들 코일에 변화된 전류를 공급하여 자속의 밀도 차에 의해 선형 구동을 시키는 선형 구동기를 스테이지 고정판에 원주상으로 일정 간격 하에 3개가 배치되어 z-Rx-Ry의 3축을 제어하여 3축 운동구동판의 위치를 동작시키는 것으로, 별도의 증폭기가 필요 없어지며 간단하게 제작할 수 있다. 그리고, 3축 스테이지가 대칭적으로 이루어지며, 간단하게 구성이 되는 장점이 있다.

Description

솔레노이드와 영구자석을 갖는 선형구동기를 이용한 3축 스테이지 구동장치 {3-axis stage driving device used linear actuator with solenoid and permanent magnet}

본 발명은 솔레노이드와 영구자석을 이용하여 3축 위치 운동을 구현할 수 있도록 한 3축 스테이지 구동장치에 관한 것이다.

일반적으로 Z-Rx-Ry의 3축 스테이지 구동장치는, 큰 힘을 요구하는 구동시스템이나 작은 힘을 요구하는 초정밀 구동시스템 또는 두 상황을 모두 요구하는 경우에 사용이 가능하다.

종래 3축 스테이지 구동장치의 일예로, 압전 소자를 이용한 경우 운동을 위한 충분한 힘을 갖고 있으나, 약 ±0.1㎜~10㎚를 움직이려고 할 경우에 압전 소자의 운동거리 및 구동하는 구동 전압의 제한으로 인하여 구동구간을 늘리기 위한 증폭기를 사용하는 3축 시스템을 구성해야 한다. 그런데 이러한 증폭기 사용은 3축 시스템을 복잡하게 만든다.

다른 예로, 솔레노이드 구동기를 사용한 경우에는 능동적인 위·아래 운동이 불가능하였다. 즉, 한 방향의 운동만 능동적이며, 다른 쪽의 운동은 스프링을 사용하여 기준평면을 돌아오게 구성되어 있다. 또한, 가이드 시스템의 문제로 구동부의 회전 운동이 발생할 수 있다.

따라서 상기의 두 경우를 극복할 수 있는 3축 스테이지 장치가 필요하다. 결국 긴 운동구간을 갖으며, 기준면을 기준으로 +,-의 양방향 운동을 가능하게 하는 3축 스테이지 장치가 필요한 것이다. 그 사용예로서, 리소그라피(lithography) 장비에서 요구되는 3축 스테이지 장치 및 초정밀 3축 스테이지 장치가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 솔레노이드에 부가적으로 영구자석을 이용하여 별도의 증폭기가 필요없이도 작동구간이 길고 구성이 간단한 3축 스테이지 구동장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 일정한 자속 흐름 내에서 변화되는 자속의 세기를 이용하여 3축 위치를 구동시키는 장치로서,

3축 스테이지 고정판(11)과;

상기 3축 스테이지 고정판(11)의 상방에 배치된 3축 운동구동판(12)과;

3축 스테이지 고정판(11)과 상기 3축 운동구동판(12)의 사이에 3개의 선형구동기(20A,20B,20C)가 평면상으로 삼각 꼭지점에 각기 일대일 배치되고, 상기 선형구동기(20A,20B,20C)는,

상부요크(25)와;

상부요크(25)의 하방에 배치된 하부요크(31)와;

상기 상부요크(25)와 하부요크(31)의 중앙에 상, 하로 슬라이딩 이동 가능하게 설치되어 운동방향을 상기 3축 운동구동판(12)에 전달하는 작동축(22)과;

상기 상부요크(25)와 하부요크(31)의 사이에 소정 간격을 두고, 상기 작동축 (22)의 원주상에 배치된 내측요크(27) 및 외측요크(30)와;

상기 내측요크(27)와 외측요크(30)의 사이에 삽입되고, 동시에 상기 상부요크(25)와 하부요크(31)에 소정 간격을 두고, 상, 하부로 각기 배치되어 전류를 공급받는 상부코일(28a) 및 하부코일(28b)과;

상기 상부코일(28a)과 하부코일(28b)의 사이에 배치된 영구자석(29)과;

상기 작동 축(22)을 지지하고 동시에 작동 축(22)의 운동을 안내하기 위해 상기 상부요크(25) 또는 하부요크(31)의 적어도 어느 하나에 지지 연결된 가이드용 지지판(23 또는 33)을 포함한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 3축 스테이지 구동장치(10)의 사시도를 나타내고 있다.

도 1에서 도면부호 11은 3축 스테이지 고정판이고, 12는 3축운동구동판이다.

상기 스테이지 고정판(11)과 상기 3축운동구동판(12)과의 사이에는 3개의 선형구동기(20A,20B,20C)가 도 2와 같이 3각 꼭지점에 각기 대응하여 배치되어 있고, 이들 선형구동기(20A,20B,20C)의 작동제어 방법에 따라 상기 3축운동구동판(12)이 x, y축에 대한 회전각(Rx, Ry) 운동과, Z축에 대한 직선운동이 가능하도록 되어 있다. 상기 선형구동기(20A,20B,20C)들은 서로 같은 구성을 하고 있으므로 어느 하나의 선형구동기에 대하여 먼저 설명한다.

도 3에 선형구동기(20A)의 분해사시도가 도시되어 있고, 도 4에 선형구동기 (20A)의 조립단면도가 나타나 있다.

도 2,3에서와 같이 본 발명에 적용되는 선형구동기(20A)는 영구자석(29)에 의해 상,하로 대칭 형성된 자속의 흐름 내에서 상부코일(28a)과 하부코일(28b)에 전류를 흘려보내 작동 축(22)을 직선 운동시키게 되어 있다.

즉, 상부코일(28a)과 하부코일(28b)에 흘려보내는 전류의 세기를 조절하여 상부코일(28a)에서 발생하는 자속 밀도와 하부코일(28b)에서 발생하는 자속 밀도의 차에 의해 작동 축(24)의 운동 방향이 결정되고, 그 방향을 따라 가이드 역할을 하는 가이드용 상,하부 지지판(23, 33)과 함께 구동부의 회전을 방지하면서 직선운동이 일어나게 되어 있다.

예들 들어, 상방측 자속 흐름(Φ1)에 대하여 하방측 자속 흐름(Φ2)의 밀도가 크다면 작동축(22)은 도 2에서 하방으로 이동하게 되어 있다.

상기 영구자석(29)의 둘레에는 대칭적으로 변하지 않는 2개의 자속 흐름이 형성되도록 상부요크(25), 하부요크(31), 내측요크(27) 및 외측요크(30)가 배치되어 있다. 또 내측요크(27)와 외측요크(30)의 사이에는 영구자석(29)을 중심으로 상, 하부에 각기 변화를 주는 자속의 흐름을 형성시키기 위해 상부코일(28a)과 하부코일(28b)이 배치되어 있다.

이때 영구자석(21)의 N극과 S극은 자속 흐름이 반지름방향으로 나가도록 또는 들어오도록 그 위치가 설정된다.

그리고 상기 상부요크(25), 하부요크(31), 내측요크(27) 및 외측요크(30)는 자속이 흐르는 길을 잘 형성시켜 주기 위해 일반적으로 보자력이 작고 상대 투자율이 높은 저탄소철, 또는 철에 코발트, 니켈, 텅스텐, 그리고 알루미늄으로 합금 처리된 재질이 바람직하다.

상기 상부요크(25)와 하부요크(31)는 원통형 지지대(26)로 연결되어 있고, 이 원통형 지지대(26)는 그 높이가 상, 하부 요크(25,31)와 내, 외측요크(27,30)의 사이에 소정의 작동간격이 존재하도록 설정되어 있다. 이때 원통형 지지대(26)의 재질은 자속의 흐름이 생길 수 없는 재질, 예로 알루미늄으로 형성될 수 있다.

상기 내측요크(27)의 중앙에는 내,외측 요크(27,30)의 선형운동을 외부로 전달하기 위해 작동축(22)이 설치되어 있고, 이 작동축(22)의 상단부(22a)와 하단부 (22b)에는 각기 원형의 가이드용 상부지지판(23)과 가이드용 하부지지판(33)이 연결되어 있다.

상기 가이드용 상부지지판(23)과 가이드용 하부지지판(33)은, 상기 내, 외측요크(27,30)와 상,하부요크(25,31)의 사이에 존재하는 이동간격을 유지하고, 기능적이 측면에서 구동부의 Rz축 방향의 회전을 방지하고 동시에 작동축(22)의 선형운동을 안내하게 되어 있다.

이때 상기 가이드용 상, 하부 지지판(23,33)은 얇은 박판으로 제작하되 탄성 복원력을 갖도록 하여 틸팅이 가능하도록 한다.

상부요크(25)와 하부요크(31)는 작동축(22)의 직선 운동시 방해가 되지 않도록 작동축(22)이 슬라이딩 가능하게 삽입되어 있다.

그리고 상기 상부지지판(23)은 상부요크(25)와 이 상부요크(25)의 상면에 볼트(B1)로 장착된 상판(24)의 사이에 장착되어 있고, 하부지지판(33)은 하부요크 (31)와 이 하부요크(31)의 저면에 볼트(B2)로 장착된 하판(32)과의 사이에 장착되어 있다.

상기 상판(24)과 하판(32)은 상기 요크(25,27,30,31)와 같은 재질로 하거나 아니면 가벼운 소재로 구성될 수 있다.

그리고 작동축(22)과 상부지지판(23)과의 연결은 작동축(22)의 상단부(22a)에 나사결합된 상부연결너트(21)에 의해 연결되어 있고, 작동축(22)과 하부지지판 (33)과의 연결은 작동축(22)의 하단부(22b)에 나사결합된 하부연결너트(32)에 의해 연결되어 있다.

도면부호 26a,30a는 각기 원통형 지지대(26)와 외측요크(30)에 형성된 요홈으로 코일(28a,28b)이 지나갈 수 있는 통로를 제공한다.

이와 같이 구성된 선형구동기(20A)는 3개가 구비되어 도 1,2에 나타난 사시도 및 평면도와 같이 z축선상을 중심으로 하여 120도 간격으로 삼각 꼭지점에 각기 배치되어 3개의 선형구동기(20A,20B,20C)가 설치된다.

만일, z축의 운동을 유도하려면, 3개의 선형구동기(20A,20B,20C)를 동시에 +운동을 시키거나 -운동을 시켜서 이루어진다.

도 2에서 Rx의 (+)운동, 곧 x축을 중심으로 시계반대방향으로 회전하는 운동을 위하여서는 선형구동기(20B)의 작동축을 상승시키고, 다른 선형구동기(20C)의 작동축을 하강시킨다. 이때 선형구동기(20A)는 움직임이 없이 그대로 자기자신의 위치를 유지하는데, 이때 틸트(tilt) 운동은 선형구동기(20A)에 있는 얇은 지지판 (23,33)을 통하여 이루어진다.

Rx의 (-)운동시, 즉 x축을 중심으로 시계방향으로 회전하는 운동은 선형구동기(20B)의 작동축이 하강동작하고 다른 선형구동기(20C)의 작동축이 상승 동작하여 이루어진다.

Ry의 (+)운동시, 즉 y축을 중심으로 시계반대방향으로 회전하는 운동은 선형구동기(20A)의 작동축이 위로 작동되고 동시에 다른 선형구동기(20B,20C)의 작동축이 아래 방향으로 작동하여 이루어진다.

Ry의 (-)운동시, y축을 중심으로 시계방향으로 회전하는 운동은 선형구동기 (20A)의 작동축이 하강 작동하고 동시에 다른 선형구동기(20B,20C)는 상승하는 운동을 통해 이루어진다.

이때 운동량의 측정은 일례로 정전용량형 센서(Capacitive Sensor)를 이용하여 측정할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 3축 스테이지 구동장치에 따르면, 영구자석이 만들어내고 있는 대칭적인 자속의 흐름과 솔레노이드(코일)에 전류를 흘려줌으로서 생기는 자속의 세기 즉, 전류에 따라 변화하는 자속의 세기를 이용하여 구동시킴으로서 3축 스테이지 구동장치의 구조가 간단해지고 제작이 용이하다.

또한 종래의 솔레노이드만으로 구성된 구동기를 사용하는 경우에는 기준면에서 +방향으로만 가능하였던 것을 본 발명에서는 양방향(±Z)의 운동증가 뿐만 아니라 Rx,Ry방향의 운동 구동구간이 증가를 가져온다. 따라서 종래와 같이 증폭기가 필요치 않다. 그리고, 원판형 가이드용 지지판을 사용을 함으로써 가이드의 역할을 수행을 하며, 구동부의 회전에 의한 불필요한 운동을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3축 스테이지 구동장치의 사시도.

도 2는 도 1의 평면도.

도 3은 도 1의 3축 스테이지 구동장치에 적용되는 선형구동기의 분리사시도.

도 4는 도 3의 선형 구동기 조립단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20A,20B,20C : 선형구동기 21,34 : 연결너트

22 : 작동축 23 : 가이드용 상부지지판

24 : 상판 25 : 상부요크

26 : 지지대 27 : 내측요크

28a,28b : 코일 29 : 영구자석

30 : 외측요크 31 : 하부요크

32 : 하판 33 : 가이드용 하부지지판

Claims (6)

1. 일정한 자속 흐름내에서 변화되는 자속의 세기를 이용하여 3축 위치를 구동시키는 장치로서,

   3축 스테이지 고정판(11)과;

   상기 3축 스테이지 고정판(11)의 상방에 배치된 3축 운동구동판(12)과;

   3축 스테이지 고정판(11)과 상기 3축 운동구동판(12)의 사이에 복수개의 선형구동기(20A,20B,20C)가 삼각 꼭지점에 각기 일대일 대응하여 배치되고, 상기 선형구동기(20A,20B,20C)는,

   상부요크(25)와;

   상부요크(25)의 하방에 배치된 하부요크(31)와;

   상기 상부요크(25)와 하부요크(31)의 중앙에 상,하로 슬라이딩 이동가능하게 설치되어 운동방향을 상기 3축 운동구동판(12)에 전달하는 작동축(22)과;

   상기 상부요크(25)와 하부요크(31)의 사이에 소정 간격을 두고, 상기 작동축 (22)의 원주상에 배치된 내측요크(27) 및 외측요크(30)와;

   상기 내측요크(27)와 외측요크(30)의 사이에 삽입되고, 동시에 상기 상부요크(25)와 하부요크(31)에 소정 간격을 두고, 상,하부로 각기 배치되어 전류를 공급받는 상부코일(28a) 및 하부코일(28b)과;

   상기 상부코일(28a)과 하부코일(28b)의 사이에 배치된 영구자석(29)과;

   상기 작동축(22)을 지지하고 동시에 작동축(22)의 운동을 안내하고, Rz방향의 회전을 없애며, 틸팅을 가능하기 위해 상기 상부요크(25) 또는 하부요크(31)의 적어도 어느 하나에 지지 연결된 가이드용 상,하부 지지판(23 또는 33)을 포함한 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 갖는 선형구동기를 이용한 3축 스테이지 구동장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 영구자석(29)을 기준으로 상,하부에 대칭적인 2개의 자속 흐름이 형성되도록 구성한 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 갖는 선형구동기를 이용한 3축 스테이지 구동장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 상,하부 코일(28a,28b)에 인가되는 전류의 세기를 조절하여 자속 밀도차로 z축의 ±의 이동방향이 결정되도록 구성한 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 갖는 선형구동기를 이용한 3축 스테이지 구동장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 가이드용 상,하부 지지판(23,33)은 틸딩을 허용하기 위해 탄성복원력을 갖고, 3축 운동구동판(12)의 z-Rx-Ry 운동 외의 회전운동(Rz)을 막아주는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 갖는 선형구동기를 이용한 3축 스테이지 구동장치.
5. 제 1항에 있어서,

   복수의 상기 선형구동기(20A,20B,20C)는 상기 3축 운동구동판(12)의 중심으로부터 120도 원주각마다 배열된 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 갖는 선형구동기를 이용한 3축 스테이지 구동장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 선형구동기(20A,20B,20C)의 작동축(22)은 상기 3축 운동구동판(12)과 상부연결너트(21)를 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 갖는 선형구동기를 이용한 3축 스테이지 구동장치.