KR20060013219A - 초정밀 위치제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Z방향 이동, X축 회전, 및 Y축 회전의 3자유도 운동을 보다 정확하게 제어할 수 있는 초정밀 위치제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초정밀 위치제어 시스템은, 중심을 향하여 등각도로 배치되며, 그 배치된 방향과 나란한 방향으로 압전소자를 수용하는 복수의 베이스 유닛에 의하여 구성되는 베이스와, 베이스 유닛 각각에 대응되는 위치에 구비되며 압전소자의 길이 방향의 변위를 베이스의 저면에 수직 방향의 변위로 변환하는 복수의 브릿지 유닛과, 변환된 변위들의 관계에 따라서 수직 방향 병진 운동, 수직 방향과 직각을 이루는 제1 축에 대한 회전 운동, 또는 수직 방향 및 제1 축과 모두 직각을 이루는 제2 축에 대한 회전 운동 중 적어도 하나의 운동을 수행하는 모션 스테이지와, 압전소자를 제어하는 제어 수단으로 이루어진다.
위치제어 시스템, 모션 스테이지, 브릿지, 베이스, 압전소자, 자유도

Description

초정밀 위치제어 시스템{Micro position-control system}
도 1은 종래 기술에 따른 위치제어 시스템의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 위치제어 시스템에서 Z방향 움직임을 발생시키는 원리를 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 위치제어 시스템의 구성을 도시하는 도면.
도 4는 모션스테이지를 초정밀 운동시키기 위한 제어 수단의 구성을 도시한 블록도.
도 5는 도 3의 위치제어 시스템에서 모션 스테이지, 브릿지 조합체, 및 베이스가 조립된 외형을 나타내는 도면.
도 6은 베이스 유닛의 구성을 나타내는 도면.
도 7은 변위 증폭 메커니즘의 두 가지 케이스를 설명하는 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 브릿지 유닛의 외형을 나타낸 사시도.
도 9는 도 8의 브릿지 유닛을 A 방향에서 바라본 형상을 나타낸 도면.
도 10은 다른 형상을 갖는 탄성 힌지의 예를 나타낸 도면.
도 11은 압전소자의 길이 변화로 인한 수평변위에 의하여 브릿지 유닛에 수직변위가 발생하는 메커니즘을 나타낸 도면.
도 12는 위치제어 시스템이 Z방향 병진 운동을 제어하는 방법을 설명하는 도면.
도 13은 위치제어 시스템이 X축 회전 운동을 제어하는 방법을 설명하는 도면.
도 14는 위치제어 시스템이 Y축 회전 운동을 제어하는 방법을 설명하는 도면.
(도면의 주요부분에 대한 부호 설명)
100 : 모션 스테이지 200 : 브릿지 조합체
210, 230, 250 : 브릿지 유닛 300 : 베이스
310, 320, 330 : 베이스 유닛 301a, 301b, 301c : 압전소자 수용홈
302a, 302b, 302c : 이동홀 303a, 303b, 303c : 고정홀
304a, 304b, 304c : 관통 슬롯 400a, 400b, 400c : 압전소자
본 발명은 초정밀 위치제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Z방향 이동, X축 회전, 및 Y축 회전의 3자유도 운동을 보다 정확하게 제어할 수 있는 초정밀 위치제어 시스템에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 산업현장의 각 분야에서 초정밀급 위치제어기술의 중요 성은 날로 증대되고 있다. 특히, 반도체 기술의 발전은 회로의 고집적화를 요구한 결과, 최신 마이크로프로세서의 경우 사용되는 선폭이 0.18㎛ 수준이며, 이 경우 웨이퍼를 제작하는 모션 스테이지에 요구되는 정밀도는 선폭의 1/10 수준으로 20㎚의 재현성(Reproducibility)이 요구된다. 또한, 서브미크론 수준의 초정밀 이송장치의 구현은 원자간력현미경(AFM; Atomic Force Microscope), 주사형전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)등의 초정밀 측정분야와 정보산업등의 산업분야에서도 활용될 수 있는 등 그 응용범위가 광범위하다.
리니어 모터(linear motor)를 이용하거나 서보모터(servo motor)와 볼스크류(ball screw)를 이용하는 일반적인 위치제어장치는 비교적 긴 행정거리를 가지고 있으나 백래시(backlash) 등의 구조적인 한계로 인하여 구현할 수 있는 위치정밀도에 한계가 있다. 또한, 일반적인 위치제어장치에서는 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 위치제어장치는 비선형적인 요인을 제거하거나 최소화하기 위하여 마찰하는 부분이 없도록 설계되어야 한다. 뿐만 아니라, 구동기 자체도 마이크로미터 이하의 수준으로 쉽게 구동되며, 반복성이 높은 요소를 사용하여야 한다.
따라서 일반적으로 초정밀 위치제어기술 분야에서는 압전효과(piezo effect)를 이용하여 위치를 제어하는 기술을 사용하고 있다. 이러한 압전 효과란, 압전 소 자의 특수한 결정에 외부적인 힘을 가하여 변형을 주면 그 표면에 전압이 발생 하고, 반대로 결정에 전압을 걸면 변위나 힘이 발생하는 현상을 말한다. 이러한 압전 현상을 나타내는 소자로는 수정, 전기석, 티탄, 산바륨 등이 있으며, 압전 현상은 초정밀 위치제어기술, 전기음향 변환기, 압전 정화, 초음파 가습기, 어군 탐지기, 초음파 진단장치 등에 응용되고 있다.
이와 같은 압전 효과를 이용한 위치제어 시스템에 관한 종래 기술 중에서, 특허 396020호(이하 관련 특허라고 함)는 도 1에 나타난 바와 같은 구조를 갖는다. 도 1에서 제1 이송기구(30), 제2 이송기구(40), 및 제3 이송기구(50)는 X방향, Y방향과 Z축에 대해 회전하는 방향의 움직임을 만들어 줄 수 있다. 또한, 제4 이송기구(60), 제5 이송기구(70), 및 제6 이송기구(80)는 압전소자에 전압을 걸어주어서 변형하면 도 2의 지렛대 구조로 인하여 Z방향으로 움직임이 발생하게 된다. 이렇게 압전소자를 이용하는 6개의 이송기구를 조합하면 6자유도를 가지는 모션 스테이지(20)가 형성된다.
상기 모션 스테이지(20)의 경우 비교적 단순한 모양으로 6개의 자유도를 갖도록 제작되었으나, 각각의 힌지부분이 모두 원형으로 제작되었으며, 구조적으로 하나의 이동 물체에 6자유도의 힌지가 동시에 부착되어 있다.
도 1과 도 2를 참조하면, 압전소자 구동기(61), 제1 힌지부재 (62), 제2 힌지부재(63), 고정블록(64), 제3 힌지부재(67)와 레버부재(68)는 모두 베이스(10)에 대하여 모션모션 스테이지(20)를 수직방향으로 이동시키는 Z축 병진 운동뿐만 아니라, X축 회전운동 및 Y축 회전 운동시키는 제1 이송기구(30), 제2 이송기구(40)와, 제3 이송기구(50)를 구성한다. 한편, 제1 내지 제3 이송기구(30, 40, 50)는 X축 병진운동, Y축 병진운동 및 Z축 회전운동을 수행하는 제4 이송기구(60), 제5 이송기구(70) 및 제6 이송기구(80)와 연동하여 베이스(10)에 대하여 모션모션 스테이지(20)가 6자유도 운동을 할 수 있도록 한다.
상기 상기의 관련 특허는, 첫째, 원형으로 가늘게 제작된 힌지부분이 휨 변형 이외에 모든 방향으로 변형이 발생하여 뒤틀리게 되어있다. 그러므로 전체 시스템의 강성 및 안정성이 매우 떨어지게 된다.
둘째, 모든 압전소자의 끝 단이 동시에 모션모션 스테이지(20)에 고정되어 있으므로 각각의 방향에 대한 운동이 서로 영향을 받게 되어(coupled motion, parasitic motion) 정밀한 구동이 어려운 구조이다. 다시 말해서 특정방향으로 모션모션 스테이지를 움직이기 위해서는 모든 구동기에 들어가는 입력을 동시에 계산해 주거나 피드백 제어를 통해 입력을 계산해 주어야 하므로 제어가 어렵게 된다.
셋째, 압전소자의 큰 힘을 얇은 힌지부분이 바로 받게 되어 있기 때문에 조그만 외력에도 부서지거나 소성변형이 일어날 가능성이 크다.
넷째, 도 2에서 나타낸 레버구조는 완벽한 수직방향 운동이 아니고 힌지(63c)에 대하여 회전운동을 하게 되므로 원하지 않는 방향의 운동을 일으키게 된다. 마지막으로 압전소자의 최대팽창은 그 길이의 0.1%정도에 불과한데 상기 메커니즘은 변위증폭 설계가 되어있지 않아서 모션모션 스테이지(20)의 이동범위가 압전소자의 변형범위와 똑같이 제한되어 있다.
기존의 초정밀 위치제어 시스템에서 사용하는 탄성힌지 메커니즘의 제작특성 상 X방향 병진, Y방향 병진, Z축 회전의 자유도를 가지는 평면 모션 스테이지의 제작은 용이한 편이지만, 상대적으로 Z방향 병진, X축 회전, 및 Y축 회전 자유도를 갖는 평면 모션 스테이지의 제작은 쉽지 않다. 왜냐하면 탄성힌지의 제작방법이 일반적으로 와이어 방전가공(Wire Electro-Discharge-Machining) 인데 이 방법은 평면상의 가공이 아닌 3차원적 가공은 어렵기 때문이다.
또한 초정밀 구동메커니즘의 구동원으로 자주 사용되는 적층형 압전소자는 큰 구동력 및 수 나노미터이하 뛰어난 분해능을 가지지만, 변형범위가 전체길이의 약 0.1 %로 제한되는 단점이 있어서 Z방향의 구동이 필요한 경우 모션 스테이지의 높이가 높아지게 된다. 그러므로 전체 모션 스테이지의 높이를 낮추면서 동시에 Z방향으로 큰 변위를 발생시킬 수 있는 탄성힌지 메커니즘이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 고려하여 창안된 것으로, 브리지 구조를 가진 탄성힌지 메커니즘을 사용하여 전체 높이를 일정 범위(25mm) 이내에 유지하면서 압전소자의 변형량을 기구적으로 증폭하여 큰 운동범위를 가지는 위치제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 Z방향 병진, X방향 회전, 및 Y방향 회전 자유도에 대하여 보다 정밀하게 제어가 가능한 위치제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초정밀 위치제어 시스템은, 중심을 향하여 등각도로 배치되며, 상기 배치된 방향과 나란한 방향으로 압전소자 를 수용하는 복수의 베이스 유닛에 의하여 구성되는 베이스; 상기 베이스 유닛 각각에 대응되는 위치에 구비되며 압전소자의 길이 방향의 변위를 상기 베이스의 저면에 수직 방향의 변위로 변환하는 복수의 브릿지 유닛; 상기 변환된 변위들의 관계에 따라서 상기 수직 방향 병진 운동, 상기 수직 방향과 직각을 이루는 제1 축에 대한 회전 운동, 또는 상기 수직 방향 및 상기 제1 축과 모두 직각을 이루는 제2 축에 대한 회전 운동 중 적어도 하나의 운동을 수행하는 모션 스테이지; 및 상기 압전소자를 제어하는 제어 수단을 포함한다.
상기 베이스 유닛은, 압전소자의 길이 방향으로 탄성 복원력을 제공하는 힌지 스프링을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 힌지 스프링은, 상기 베이스 유닛에 직선형 관통 슬롯과, 좌우 대칭 형상을 갖는 'ㄷ자'형 관통 슬롯의 쌍이 길이 방향을 따라서 교대로 배치됨으로써 형성되는 것이 바람직하다.
상기 베이스 유닛은, 상기 압전소자에 길이 방향의 변위가 발생할 때 상기 힌지 스프링의 작용에 의하여 상기 압전소자의 길이 방향으로 이동하는 이동홀과, 상기 압전소자의 변위 발생과 무관하게 고정되는 고정홀을 포함하며, 상기 이동홀을 통하여 상기 브릿지 유닛의 일측과 결합되고 상기 고정홀을 통하여 상기 브릿지 유닛의 다른쪽 측과 결합되는 것이 바람직하다.
상기 브릿지 유닛은, 육면체의 형상을 가지는 복수의 브릿지 블록이 상기 압전소자의 길이 방향으로 일렬로 배열되고 상기 배열되는 복수의 브릿지 블록 간에는 탄성 힌지에 의하여 연결되는 것이 바람직하다.
상기 베이스 유닛은, 상기 압전소자에 길이 방향의 변위가 발생할 때 상기 힌지 스프링의 작용에 의하여 상기 압전소자의 길이 방향으로 이동하는 이동홀과, 상기 압전소자의 변위 발생과 무관하게 고정되는 고정홀을 포함하며, 상기 이동홀을 통하여 일렬로 배열된 브릿지 블록 중에서 일 끝단에 존재하는 브릿지 블록의 하면과 결합되고, 상기 고정홀을 통하여 상기 일 끝단의 다른 쪽 끝단에 존재하는 브릿지 블록의 하면과 결합되는 것이 바람직하다.
상기 일렬로 배열되는 브릿지 블록 중 가운데 블록의 상면과 상기 모션 스테이지가 결합되는 것이 바람직하다.
상기 탄성 힌지는, 상기 브릿지 블록들과 일체로 형성되며, 상기 일렬로 배열되는 브릿지 블록 중 가운데 블록에서 멀어질수록 낮은 위치를 갖는 것이 바람직하다.
상기 브릿지 유닛의 길이와 상기 탄성 힌지의 높이차를 이용하여 상기 압전소자의 길이 방향 변화에 대한 상기 브릿지 유닛의 높이 변화의 비를 조절하는 것이 바람직하다.
상기 탄성 힌지는 브릿지 유닛의 길이 방향에 대하여 일정한 두께를 가지거나, 또는, 상기 탄성 힌지는 브릿지 유닛의 길이 방향에 대하여 중앙이 오목한 형상을 가지는 것이 바람직하다.
상기 압전소자의 길이가 길어지면 상기 브릿지 유닛은 높이 방향으로 변위가 발생하고, 상기 압전소자의 길이가 줄어들면 상기 브릿지 유닛은 높이 방향의 반대 방향으로 변위가 발생하는 것이 바람직하다.
상기 수직 방향 병진 운동은, 상기 복수의 브릿지의 수직 방향 변위를 동일하게 함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제1 축에 대한 회전 운동 및 상기 제2 축에 대한 회전 운동은, 상기 복수의 브릿지의 수직 방향 변위를 다르게 함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 위치제어 시스템(1000)의 구성을 도시하는 도면이다. 초정밀 위치제어 시스템(1000)은 모션 스테이지(100)와, 브릿지 조합체(200)와, 베이스(300)와, 압전소자(400a, 400b, 400c), 및 압전소자(400a, 400b, 400c)에 가하는 전압을 조절하여 압전소자(400a, 400b, 400c)의 변위를 제어하는 제어수단(미도시됨)을 포함하여 구성될 수 있다.
모션 스테이지(100)와, 브릿지 조합체(200)와, 베이스(300)는 모두 미소 변위에 대하여 탄성 및 복원력을 지니는 금속 재료 기타 탄성 재료를 이용하여 제작될 수 있다.
압전소자(400a, 400b, 400c)는 전기적 에너지가 가해지면 변위가 발생하는 소자로서 그 발생된 변위에 의하여 베이스 유닛(310, 320, 330)내의 고정홀(303a, 303b, 303c)과 이동홀(302a, 302b, 302c)간의 거리를 변화시킨다.
베이스(300)는 브릿지 유닛(210, 230, 250)의 개수에 대응되는 개수의 베이스 유닛(310, 320, 330)을 포함한다. 각각의 베이스 유닛(310, 320, 330)은 지면(ground)에 대하여 상대적인 움직임이 없는 고정홀(303a, 303b, 303c)과, 지면에 대하여 상대적인 움직임을 가지는 이동홀(302a, 302b, 302c)과, 압전소자(400a, 400b, 400c)를 수용하는 압전소자 수용홈(301a, 301b, 301c)과, 복수의 관통슬롯을 이용하여 판스프링 효과를 나타내는 힌지 스프링(400a, 400b, 400c)을 포함하여 구성될 수 있다.
힌지 스프링(400a, 400b, 400c)은 압전소자(400a, 400b, 400c)에 변위가 발생하면 탄성변형을 하면서 상기 압전소자에 반발력을 제공하며 상기 압전소자의 변위가 제거 되었을 때 최초의 위치 및 형상으로 복원하는 역할을 한다. 또한 힌지 스프링(400a, 400b, 400c)은 마찰을 줄이고 압전소자의 변형을 운동 연속성을 유지하는 역할도 갖는다.
브릿지(200)는 복수의 브릿지 유닛(210, 230, 250)으로 이루어지며, 브릿지 유닛(210, 230, 250)은 그 개수에 따라 스테이지 중심을 기준으로 등각도(等角度)를 형성한다. 브릿지 유닛(210, 230, 250)은 복수의 브릿지 블록과, 브릿지 블록간을 연결하는 탄성 힌지로 이루어지는데, 상기 복수의 브릿지 블록 중 특정 블록에는 상부의 모션 스테이지(100)와의 고정을 위한 제1 스크류 홀(212, 232, 252)이 구비되고, 상기 복수의 브릿지 블록 중 다른 특정 블록에는 하부의 베이스(300)의 고정홀(303a, 303b, 303c)과의 고정을 위한 제2 스크류 홀(211, 231, 251)과, 베이스(300)의 이동홀(302a, 302b, 302c)과의 고정을 위한 제3 스크류 홀(213, 233, 253)이 구비된다.
브릿지 유닛(210, 230, 250)은 이동홀(302a, 302b, 302c)이 수평 이동함에 따라서 제3 스크류 홀(213, 223, 233)을 갖는 블록이 수평 이동하게 되고 따라서 브릿지 유닛(210, 230, 250)에 수평변위가 발생하게 된다. 그리고, 탄성 힌지의 작용에 의하여 상기 수평변위는 브릿지 유닛(210, 230, 250)에 수직변위를 발생시킨다. 따라서, 제1 스크류 홀을 갖는 브릿지 블록은 수직변위를 모션 스테이지(100)에 전달하게 되는 것이다. 수평변위에 의하여 수직변위가 발생하는 메커니즘에 대한 보다 자세한 설명은 도 11의 설명에서 하기로 한다.
모션 스테이지(100)는 브릿지 조합체(200)로부터 운동을 전달받아 Z축(연직 방향) 병진 운동, X축(연직 방향과 수직인 임의의 축) 회전 운동, 또는 Y축(Z축과 X축에 모두 수직인 축) 회전 운동, 즉 초정밀 3자 유도 운동을 한다. 모션 스테이지(100)는 소정의 두께를 갖는 플레이트(plate)로서, 플레이트의 형상은 형상은 원형, 다각형 기타 어떤 형상을 사용할 수도 있으며, 모션 스테이지(100) 위에는 반도체 측정 프루브(probe), 초정밀 광학장치에서 미러(mirror)의 자동구동장치 등 초정밀 운동이 필요한 물체를 부착할 수 있다. 본 발명에서는 원형 플레이트를 사용하는 것으로 한다. 모션 스테이지(100)에는 브릿지 유닛(210, 230, 250)과 각각 하나씩 결합될 수 있도록 정삼각형의 꼭지점에 각각 위치하는 모션 스테이지 홀 (101, 102, 103)이 구비된다.
본 발명에서, 각종 홀 간의 체결 방식은 스크류 나사 체결 방식, 핀 결합 방식, 용접 방식, 접착 방식 등 어떠한 고정 방식으로도 구현될 수 있음은 당업자에게는 자명한 사실이다. 그리고, 힌지 스프링(400a, 400b, 400c) 및 탄성 힌지의 변형은 탄성 영역 내에서만 이루어지는 것으로 한다. 초정밀 위치제어 시스템에서의 변위는 미소하므로 탄성 영역 내에서만 운동을 하는 것으로 가정하여도 충분하기 때문이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 초정밀 위치제어 시스템(1000)은 모션스테이지(100)를 초정밀 운동시키기 위한 제어 수단(500)을 포함한다.
제어 수단(500)은 사용자 명령에 따라 압전소자 구동신호를 출력하고 제어하는 컨트롤러(510)와, 컨트롤러(510)로부터의 구동신호를 증폭하여 제1 내지 제3 압전소자(400a, 400b, 400c) 각각에 입력하는 제1 내지 제3 증폭기(512, 522, 532)와, 브릿지 유닛(210, 230, 250)에 의하여 3자유도 운동을 전달받는 모션 스테이지(100)의 운동 위치를 감지하는 제1 내지 제3 센서(513, 523, 533)를 구비한다. 모션 스테이지(100)의 운동 위치는 제1 내지 제3 센서(513, 523, 533)에 의하여 감지되고, 컨트롤러(510)는 제1 내지 제3 센서(513, 523, 533) 각각으로부터 입력되는 피드백신호에 따라 모션 스테이지(100)의 운동 위치를 보정한다.
본 실시예에 있어서 제1 내지 제3 센서(513, 523, 533) 각각은 모션스테이지(100)의 상면에 부착되는 미러(미도시됨)와 이 미러에 레이저빔을 주사하는 레이저를 갖는 외부 레이저 인터페로미터(Laser Interferometer; 미도시됨)에 의하여 구 성할 수 있다. 또는 커패시터(Capacitor) 타입의 초정밀 변위측정장치를 모션 스테이지(100)과 베이스(300) 사이에 부착하여 구성할 수 있다. 그리고, 제1 내지 제3 압전소자(400a, 400b, 400c)와 제1 내지 제3 증폭기(512, 522, 532)는 각각 케이블에 의하여 전기적으로 접속되어 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 위치제어 시스템(1000)에서, 모션 스테이지(100)와 브릿지 조합체(200)와 베이스(300)가 조립된 외형을 나타내는 도면이다. 모션 스테이지(100)의 지름은 90mm, 시스템(1000)의 높이는 대략 25mm 정도의 스케일을 가질 수 있다.
이와 같이 베이스 유닛(310, 320, 330)과 브릿지 유닛(210, 230, 250)은 그 개수에 따라서 등각도로 배치된다. 본 실시예에서는 그 개수가 3이므로, 베이스 유닛(310, 320, 330) 120도 간격으로 배치되고, 브릿지 유닛(210, 230, 250)은 이에 따라서 마찬가지로 120도 간격으로 배치된다. 이는 모션 스테이지(100)의 초정밀 운동을 실현하기 위하여 과구속을 피하기 위하여 3점 지지 방식을 채택한 것이다. 하지만, 3점 이상의 지지 방식을 사용하여도 본 발명을 구현할 수 있음은 물론이다.
도 6은 베이스 유닛(310)의 구성을 나타내는 도면이다. 이외의 베이스 유닛(320, 330)도 마찬가지의 구성을 갖는다. 이와 같이 베이스 유닛(310)은 압전소자 수용홈(301a)와 고정홀(302a)과 이동홀(303a)과 힌지 스프링(304a)를 포함하여 구성되는데, 힌지 스프링(304a)은 복수의 관통슬롯(304a-1, 304a-2, 304a-3, 304a-4, 304a-5, 304a-6)을 포함한다. 여기서, 음영으로 채색된 부분은 지면(紙面)에 수직 인 방향으로 관통되어 있음을 나타낸다.
이와 같이 힌지 스프링(304a)에서 관통슬롯이 교대로 배치되면 기능상 판스프링과 같은 구조가 형성되어, 압전소자의 길이발향으로 변위가 발생할 때 힌지 스프링(304a)이 반발력을 작용시키고 변위가 제거되면 다시 원래의 위치로 돌아가도록 한다. 이와 같이 힌지 스프링(304a)이 압축 팽창됨에 따라서 이동홀(302a)은 압전소자의 길이 방향으로 움직이게 되지만, 고정홀(303a)는 힌지 스프링(304a)의 동작과 상관 없이 고정된 위치에 존재하게 된다.
변위가 제거될 때 정확이 원점(원 위치)으로 돌아가도록 하는 것은 초정밀 위치시스템에서 매우 중요한 부분 중의 하나이다. 초정밀 위치시스템에서 사용되는 변위는 미소하므로, 베이스 유닛(310)의 탄성 영역 내에서 힌지 스프링(304a)의 변형이 일어나도록 할 수 있어서 원점으로 정확히 복원될 수 있는 것이다.
힌지 스프링(304a)은 본 발명의 실시예에서는 직선형 관통 슬롯(304a-5, 304a-6)과, 좌우 대칭 형상을 갖는 'ㄷ자'형 관통 슬롯의 쌍(304a-1 및 304a-2, 또는, 304a-3 및 304a-4)이 길이 방향을 따라서 교대로 배치되는 구조를 갖는다. 당업자라면 이외에 다른 형상의 관통 슬롯을 사용하여 힌지 스프링을 구현할 수도 있을 것이며, 관통 슬롯의 개수도 필요에 따라서 조정할 수 있을 것이다.
압전소자 수용홈(301a)에는 압전소자(400a)가 실장되는데, 상용되는 다계층 압전소자(multilayer piezoactuators)는 센티미터 당 약 10㎛ 변형 범위를 가진다. 따라서 다양한 적용 분야에 있어서, 유연성있는 힌지를 사용하여 압전소자의 작은 변위를 증폭시킨다. 유연성 있는 힌지는 기어나 핀 조인트에 비하여 백래시 (backlash)가 없고 윤활의 필요가 없으며, 간소한 디지인을 갖는 장점이 있다.
일반적으로, 변위 증폭 메커니즘은 두가지 방법으로 나뉘어질 수 있다. 하나는 도 7의 (a)에서 나타내는 바와 같은 지렛대 방식의 유연성 힌지 메커니즘이다. 지렛대 방식의 장치에서, 증폭 비는 피봇 힌지(pivot hinge) 간의 거리에 따라서 결정된다. 그리고, 횡방향 링크가 고강성을 가질 것을 요구한다. 이 방식은 상대적으로 작은 수의 유연성 피봇 힌지를 필요로 하지만, 링크 크기와 힌지 변형은 증폭 비에 따라 비례하므로 높은 효율을 기대하기는 어렵다.
다른 힌지 메커니즘으로는 도 7의 (b)와 같은 브릿지 방식의 유연성 힌지 메커니즘이 있다. 이 방식은 간소하고 대칭적인 구조를 가지므로 상대적으로 디자인하기 쉽다. 다만, 지렛대 방식 보다는 힌지의 유연성이 보다 높을 것을 요구한다. 본 발명은 개념상 이러한 브릿지 방식의 메커니즘을 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 브릿지(200)는 3개의 브릿지 유닛(210, 230, 250)으로 이루어지는 것으로 한다. 그러나 이는 하나의 실시예에 불과하며 복수의 브릿지 유닛을 360상에 등각도로 배치함으로써 본 발명의 기술적 사상을 구현할 수 있음은 당업자라면 충분히 알 수 있을 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 브릿지 유닛(210)의 외형을 나타낸 사시도이다. 본 브릿지 유닛(210) 이외에 다른 브릿지 유닛(230, 250)도 마찬가지의 구조를 갖는다. 브릿지 유닛(210)은 육면체 형상을 갖는 소정 개수의 브릿지 블록(214 내지 218)과, 각 브릿지 블록 간을 연결하는 탄성 힌지(219 내지 222)를 포함하는데, 탄성 힌지(219 내지 222)와 브릿지 블록(214 내지 218)은 일체로서 제작된 다. 브릿지 블록 중 모션 스테이지 중심방향에 위치하는 브릿지 블록, 즉 제1 브릿지 블록(214)에는 제2 스크류 홀(216)이 하부의 베이스 유닛(310)의 고정홀(301a)과 결합될 수 있도록 구비되고, 모션 스테이지 중심의 반대 방향에 위치하는 브릿지 블록, 즉 제5 브릿지 블록(218)에는 제3 스크류 홀(218)이 하부의 베이스 유닛(310)의 이동홀(302a)와 결합될 수 있도록 구비된다. 그리고, 가운데 브릿지 블록, 즉 제3 브릿지 블록(212)에는 제1 스크류 홀(217)이 상부의 모션 스테이지와 결합될 수 있도록 구비된다.
본 실시예에서는 브릿지 블록의 수가 5개인 경우를 예로 들었지만, 이에 한하지 않고, 브릿지 블록의 수가 3개 이상이면 본 발명의 기술적 사상을 적용할 수 있을 것이다.
도 9는 도 8의 브릿지 유닛(210)을 A 방향에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다. 브릿지 블록(214 내지 218) 간을 연결하는 탄성 힌지(219 내지 222)는 소정의 두께를 가지며 A 방향을 따라서 일정한 형상을 갖는다. 또한 좌우 방향으로도 일정한 두께를 가지는 것으로 설계한다. 그러나, 탄성 힌지의 두께는 반드시 일정할 필요는 없으며 도 10에서의 탄성 힌지(219)와 같이 가운데가 오목한 형상을 가질 수도 있고 기타 다른 두께를 가질 수도 있다. 도 10과 같은 탄성 힌지 형상은 제작하기가 상대적으로 어렵지만 역학 구조를 고려할 때 이와 같은 형상을 갖는 것이 보다 안정적이다.
한편, 각각의 탄성 힌지(219 내지 222)는 모두 같은 형상을 갖는 것으로 설계할 수도 있고 서로 다른 형상을 갖도록 설계할 수도 있지만, 역학적 균형 등을 고려할 때 모두 같은 형상(및 두께)를 갖는 것으로 하여 설명한다. 탄성 힌지(219 내지 222)의 형상은 모두 동일하다 하더라도 그 위치에는 다소 차이가 있다. 도 9에서 보는 바와 같이, 제1 탄성 힌지(219)와 제4 탄성 힌지(222)는 z축 방향으로 같은 높이(h1)를 갖고, 제2 탄성 힌지(220)와 제3 탄성 힌지(221)는 같은 높이(h2)를 갖지만, h1과 h2는 일치하지 않으며 h2와 h1간에는 소정의 오프셋(toff) 만큼의 높이차가 존재한다. 이러한 오프셋(toff)의 차이에 따라서 수평 변위에 대한 수직 변위의 비율이 달라지게 된다.
제1 브릿지 블록(214)은 그 하면이 베이스 유닛(310)의 고정홀(303a)과 고정되어야 하고, 제5 브릿지 블록(215)은 그 하면이 베이스 유닛(310)의 이동홀(302a)와 고정되어야 하므로 다른 브릿지 블록들(215, 216, 217)보다 하면이 t2만큼 낮게 설계된다. 그리고, 제3 브릿지 블록(216)은 그 상면이 모션 스테이지(100)에 고정되어야 하므로 다른 브릿지 블록들(214, 215, 217, 218)에 비하여 상면이 t1만큼 높게 설계된다. 이러한 설계변수 t2 및 t3는 당업자라면 실제 설계 환경에 따라서 적절히 선택될 수 있을 것이므로 그 구체적인 치수는 언급하지 않기로 한다.
도 11은 압전소자(400a)의 길이 변화로 인한 수평변위(u)에 의하여 브릿지 유닛(210)에 수직변위(z)가 발생하는 메커니즘을 나타낸 도면이다. 압전소자에는 작동 전에 미리 초기 전압(작동 범위의 가운데 정도의 전압)을 걸어 주는 것이 일반적이다. 그 후 작동시에 초기 전압 보다 높은 전압을 걸어주면 압전소자는 길이방향으로 늘어나게 되고, 초기 전압 보다 낮은 전압을 걸어주면 압전소자는 길이방 향으로 줄어들게 된다. 따라서 압전소자의 길이를 늘이거나 줄이는 제어를 할 수 있다.
압전소자(400a)에 초기전압보다 높은 전압을 가하면, 압전소자(400a)가 길이방향으로 늘어나게 되고 이에 따라서 이동홀(302a) 및 제5 브릿지 블록(216)은 모션 스테이지 중심의 반대 방향으로 이동하여 음의 수평변위(-u)가 발생되고 이는 다시 브릿지 블록(216)의 음의 수직변위(-z)를 발생시킨다.
압전소자(400a)에 초기전압보다 낮은 전압을 가하면 압전소자(400a)의 길이가 줄어들게 되고 이에 따라서 이동홀(302a) 및 제5 브릿지 블록(218)이 모션 스테이지 중심 방향으로 이동하여 양의 수평변위(u)를 발생되고 이에 따라서 제3 브릿지 블록(216)에는 수직변위(z)가 발생된다. 이렇게 수평변위(u)에 의하여 수직변위(z)가 발생되는 것은 탄성 힌지(219 내지 222) 간의 높이 방향 오프셋(toff)이 존재하기 때문이며 오프셋의 크기 및 브릿지 유닛(210)의 길이에 따라서 증폭비, 즉 수직변위(z)/수평변위(u) 값이 정해진다. 오프셋(toff)이 클수록 상대적으로 증폭비가 작아지고, 오프셋(toff)가 작을수록 상대적으로 증폭비가 커지게 된다. 따라서, 사용자는 오프셋(toff)을 조절함으로써 모션 스테이지의 운동 크기를 조절할 수 있다. 통상 증폭비는 5~10배 정도의 비를 얻을 수 있다.
오프셋(toff)이 정해지면, 탄성 영역에서 수평변위(u)와 수직변위(z)간에는 z=f(u)과 같이 표현되는 함수 관계(일대일 함수)가 이루어지며, 이러한 함수 관계 는 기구학적인 관계에 의하여 결정되며, 수치해석 프로그램을 이용한 시뮬레이션 또는 실험을 통하여 찾아낼 수 있다.
도 12 내지 도 14은 위치제어 시스템(1000)이 각각 Z방향 병진 운동, X축 회전 운동, Y축 회전 운동을 제어하는 방법을 설명하는 도면이다. 도 12와 같이 변위가 z1인 Z방향 병진 운동이 필요하다고 할 때, 브릿지 유닛(210, 230, 250)은 각각 Z방향으로 z1 만큼의 변위를 발생시키면 된다. 이를 위하여 필요한 수평 변위는 z=f(u)의 관계식으로부터 구할 수 있고 구해진 수평 변위만큼 압전소자의 길이를 감소시키면 결국 도 12와 같은 Z방향 병진 운동을 구현할 수 있다. 물론, 상기 수평 변위만큼 압전소자의 길이를 증가시키면 음의 Z방향 병진 운동을 구현할 수도 있다.
도 13과 같이 X축을 중심으로 하여 θx 만큼 회전운동을 하고자 하는 경우가 있다고 한다. 모션 스테이지 평면에서 Z축 방향은 일의적으로 결정되지만 X축과 Y축 방향은 그렇지 않다. 따라서, X축을 먼저 특정할 필요가 있고 그러면 그에 따라서 Y축 방향이 결정된다. 만약, 정삼각형을 이루는 모션 스테이지 홀(101, 102, 103) 중에서 제1 모션 스테이지 홀(101)과 제3 모션 스테이지 홀(103)을 연결하는 직선을 X축으로 잡는다면, X축 회전 운동은 제2 모션 스테이지 홀(102)의 Z방향 변위를 조절함으로써 X축 회전 운동을 일으킬 수 있다. 다만, 제1 모션 스테이지 홀(101)과 제3 모션 스테이지 홀(103)도 변위는 발생하지 않지만 회전 각도에 따라서 회전하게 된다.
만약, 상기 직선과 제2 모션 스테이지 홀(102)과의 거리가 d2라고 한다면, x축을 중심으로 θx 만큼 회전운동을 하기 위한 제2 모션 스테이지 홀(102)의 Z축 변위(z2)는 다음의 수학식 1과 같이 구해진다. 여기서, θx는 초정밀 위치제어 시스템에서는 거의 0에 가까운 값이므로 z2는 d2와 θx의 곱으로 근사될 수 있다.
z2 〓 d2×tan-1(θx) ≒ d2×θx
이 식으로부터 Z축 변위(z2)를 구할 수 있고 브릿지 유닛(220)은 Z방향으로 z1 만큼 변위를 발생시키면 된다. 이로부터 필요한 수평 변위는 다시 z=f(u)의 관계식으로부터 구할 수 있다.
마찬가지로, 음의 X축 회전 방향으로 θx 만큼 회전하고자 하면, 상기 필요한 수평 변위만큼 압전 소자의 길이를 늘이면 될 것이다.
도 14은 음의 Y축 회전 방향으로 θy 만큼 회전운동을 하고자 하는 예를 나타낸 것이다. 모션 스테이지 평면에서 이 경우에는 제1 모션 스테이지 홀(101)은 고정되고, 제2 모션 스테이지 홀(102)과 제3 모션 스테이지 홀(103)은 각각 다른 변위를 가진다. 기하학상 제1 모션 스테이지 홀(101)을 지나는 회전 축과, 제2 모션 스테이지 홀(102)과의 거리 d4는 상기 회전 축과 제3 모션 스테이지 홀(103)과의 거리 d3의 1/2이 된다.
여기서, 수학식 1과 마찬가지 방법으로 d3와 θy 로부터 제3 모션 스테이지 홀(103)의 Z방향 변위(z3)를 결정할 수 있고, d4와 θy 로부터 제2 모션 스테이지 홀(102)의 Z방향 변위(z4)를 결정할 수 있다. z3와 z4는 각각 브릿지 유닛(230)이 전달하는 Z방향 변위와, 브릿지 유닛(220)이 전달하는 Z방향 변위와 동일하므로, 이로부터 각 브릿지 유닛(220, 230)에 전달되어야 하는 수평 변위를 결정할 수 있다.
마찬가지로, 양의 Y축 회전 방향으로 θy 만큼 회전하고자 하면, 상기 결정되는 수평 변위만큼 압전소자의 길이를 늘이면 될 것이다.
이상에서, 본 발명에 따른 초정밀 위치제어 시스템은 Z축 방향 병진 운동, X축 회전 운동, 및 Y축 회전 운동을 지원하는 것을 설명하였다. 이외의 나머지 3자유도 운동은 기존의 발명을 이용하여 상대적으로 정밀하게 구현할 수 있으므로, 본 발명에 따른 초정밀 위치 결정 시스템을 나머지 3자유도 운동을 지원하는 기존의 모션 스테이지(예를 들어, 상기 396020호 특허) 위치 부착 한다면 결국 6자유도 운동을 모두 지원할 수 있게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
본 발명에 따르면, 압전소자의 장점인 연속적인 운동을 유지하여 높은 분해능을 얻을 수 있고, 전체 형태를 수정하지 않고 중단의 브릿지 구조의 미세한 설계변경만으로도 모션 스테이지의 구동범위와 동특성을 바꿀 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 보다 소형인 초정밀 위치제어 시스템을 제작할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 변위측정을 하기 위한 공간이 준비되어 있으므로 커패시터(Capacitor) 타입의 초정밀 변위측정장치를 부착하여 자체적인 폐회로 제어를 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 브릿지 유닛은 대칭적으로 배치되어 서로간에 역학적 균형을 유지하므로, 열변형에 의한 오차를 최소화할 수 있으며, 원하지 않는 방향의 운동(parasitic motion)을 최대한 줄일 수 있다.

Claims (14)

  1. 중심을 향하여 등각도로 배치되며, 상기 배치된 방향과 나란한 방향으로 압전소자를 수용하는 복수의 베이스 유닛에 의하여 구성되는 베이스;
    상기 베이스 유닛 각각에 대응되는 위치에 구비되며 압전소자의 길이 방향의 변위를 상기 베이스의 저면에 수직 방향의 변위로 변환하는 복수의 브릿지 유닛;
    상기 변환된 변위들의 관계에 따라서 상기 수직 방향 병진 운동, 상기 수직 방향과 직각을 이루는 제1 축에 대한 회전 운동, 또는 상기 수직 방향 및 상기 제1 축과 모두 직각을 이루는 제2 축에 대한 회전 운동 중 적어도 하나의 운동을 수행하는 모션 스테이지; 및
    상기 압전소자를 제어하는 제어 수단을 포함하는, 초정밀 위치제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스 유닛은
    압전소자의 길이 방향으로 탄성 복원력을 제공하는 힌지 스프링을 구비하는, 초정밀 위치제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 힌지 스프링은
    상기 베이스 유닛에 직선형 관통 슬롯과, 좌우 대칭 형상을 갖는 'ㄷ자'형 관통 슬롯의 쌍이 길이 방향을 따라서 교대로 배치됨으로써 형성되는, 초정밀 위치제어 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 베이스 유닛은
    상기 압전소자에 길이 방향의 변위가 발생할 때 상기 힌지 스프링의 작용에 의하여 상기 압전소자의 길이 방향으로 이동하는 이동홀과, 상기 압전소자의 변위 발생과 무관하게 고정되는 고정홀을 포함하며,
    상기 이동홀을 통하여 상기 브릿지 유닛의 일측과 결합되고 상기 고정홀을 통하여 상기 브릿지 유닛의 다른쪽 측과 결합되는, 초정밀 위치제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 브릿지 유닛은 육면체의 형상을 가지는 복수의 브릿지 블록이 상기 압전소자의 길이 방향으로 일렬로 배열되고 상기 배열되는 복수의 브릿지 블록 간에는 탄성 힌지에 의하여 연결되는, 초정밀 위치제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 베이스 유닛은
    상기 압전소자에 길이 방향의 변위가 발생할 때 상기 힌지 스프링의 작용에 의하여 상기 압전소자의 길이 방향으로 이동하는 이동홀과, 상기 압전소자의 변위 발생과 무관하게 고정되는 고정홀을 포함하며,
    상기 이동홀을 통하여 일렬로 배열된 브릿지 블록 중에서 일 끝단에 존재하는 브릿지 블록의 하면과 결합되고, 상기 고정홀을 통하여 상기 일 끝단의 다른 쪽 끝단에 존재하는 브릿지 블록의 하면과 결합되는, 초정밀 위치제어 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 일렬로 배열되는 브릿지 블록 중 가운데 블록의 상면과 상기 모션 스테이지가 결합되는, 초정밀 위치제어 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 탄성 힌지는
    상기 브릿지 블록들과 일체로 형성되며, 상기 일렬로 배열되는 브릿지 블록 중 가운데 블록에서 멀어질수록 낮은 위치를 갖는, 초정밀 위치제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 브릿지 유닛의 길이와 상기 탄성 힌지의 높이차를 이용하여 상기 압전소자의 길이 방향 변화에 대한 상기 브릿지 유닛의 높이 변화의 비를 조절하는, 초정밀 위치제어 시스템.
  10. 제5항에 있어서, 상기 탄성 힌지는 브릿지 유닛의 길이 방향에 대하여 일정한 두께를 가지는, 초정밀 위치제어 시스템.
  11. 제5항에 있어서, 상기 탄성 힌지는 브릿지 유닛의 길이 방향에 대하여 중앙이 오목한 형상을 가지는, 초정밀 위치제어 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 압전소자의 길이가 길어지면 상기 브릿지 유닛은 높이 방향으로 변위가 발생하고, 상기 압전소자의 길이가 줄어들면 상기 브릿지 유닛은 높이 방향의 반대 방향으로 변위가 발생하는, 초정밀 위치제어 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 수직 방향 병진 운동은,
    상기 복수의 브릿지의 수직 방향 변위를 동일하게 함으로써 이루어지는, 초정밀 위치제어 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 축에 대한 회전 운동 및 상기 제2 축에 대한 회전 운동은,
    상기 복수의 브릿지의 수직 방향 변위를 다르게 함으로써 이루어지는, 초정밀 위치제어 시스템.
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