KR100428051B1 - 6-axis positioning system - Google Patents

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KR100428051B1
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 6축 위치 결정 기구에 관한 것으로, 수직선형구동기와 수평선형구동기를 다각의 꼭지점에 대칭적으로 배치하여 열적 안정성을 얻어 위치결정을 정밀하게 제어하며, 상기 수직선형구동기는 작동간격을 갖고 가동축의 둘레에 영구자석과 전류 공급을 받는 코일을 배치하고, 가동축이 작동 간격에 형성되는 자속밀도 차에 의해 구동되고, 상기 수평선형구동기는 대향되게 수평 배치된 한쌍의 영구자석의 사이에 배치된 코일에 전류를 인가하여 발생된 척력을 이용한다.The present invention relates to a six-axis positioning mechanism, the vertical linear actuator and the horizontal linear actuator is symmetrically arranged at the vertices of the polygon to obtain thermal stability to precisely control the positioning, the vertical linear actuator has an operating interval A permanent magnet and a coil receiving current are arranged around the movable shaft, and the movable shaft is driven by a magnetic flux density difference formed at an operating interval, and the horizontal actuator is disposed between a pair of permanent magnets arranged horizontally opposite each other. The repulsive force generated by applying a current to the coil is used.

Description

6축 위치 결정 기구{6-axis positioning system}6-axis positioning system

본 발명은 6축 초정밀 위치결정기구에 관한 것으로, 특히 평면방향의 X축 ,Y축, 회전각(θ)을 갖는 요우(yaw)작동의 3개의 자유도와, 수직방향의 Z축, 피치 (pitch)작동, 롤(roll)작동의 3개의 자유도를 자유롭게 조정하여 반도체 공정중 리소그래피(lithography)에서 웨이퍼(wafer)를 이송 및 정렬(align) 해주는데 응용될 수 있고, 그 외에도 정밀광학기기의 이송장치와 고밀도자기 기록장치 등의 서브마이크론 이하의 정밀위치제어를 필요로 하는 구동장치에 사용되는 6축 초정밀기구에 관한 것이다.The present invention relates to a six-axis ultra-precision positioning mechanism, in particular three degrees of freedom of yaw operation with the X-axis, Y-axis, rotation angle (θ) in the plane direction, Z-axis, pitch in the vertical direction It can be applied to transfer and align wafers in lithography during semiconductor process by freely adjusting three degrees of freedom of operation and roll operation. The present invention relates to a six-axis ultra-precision mechanism used for a drive device requiring sub-micron precision position control such as a high density magnetic recording device.

6축 위치 결정 기구는 큰 힘을 요구하는 구동시스템, 작은 힘을 요구하는 초정밀 구동시스템 그리고 두 상황을 모두 요구하는 경우에서 사용이 가능하다.The six-axis positioning mechanism can be used in high force drive systems, ultra-precision drive systems that require small forces, and in both cases.

종래, 수직 선형구동기의 경우 압전소자(PZT)를 이용하는 경우 운동을 위한 충분한 힘을 갖고 있으나, 약 ±0.1㎜∼10nm를 움직이려고 할 경우에 압전 소자의 운동거리 및 구동하는 구동전압의 제한으로 인하여 구동 구간을 늘리기 위해 필연적으로 증폭기를 사용하는 전체 시스템을 구성해야 한다.Conventionally, in the case of the vertical linear actuator, the piezoelectric element (PZT) has sufficient force for movement. However, when it is about to move about ± 0.1 mm to 10 nm, it is driven by the limitation of the driving distance and driving voltage of the piezoelectric element. In order to increase the interval, it is necessary to configure the whole system using the amplifier.

이러한 증폭기 사용은 전체 시스템을 복잡하게 만들며, 구현되기 어렵게 하는 요인으로 작용한다. 그리고 대칭이 아닌 구조를 만들 경우에 초정밀 시스템에서큰 문제가 되는 열적 문제를 극복하기 위하여 환경적 제어를 해야 하는데, 이것은 시스템을 대칭적으로 만든 것 이상의 많은 노력이 들어가게 된다.The use of these amplifiers complicates the overall system and makes it difficult to implement. And in the case of non-symmetrical structures, environmental control is needed to overcome the thermal problem, which is a big problem in ultra-precision systems, which involves much more effort than making the system symmetrical.

또한, 수평선형직선구동기의 경우 압전소자 등은 복잡한 증폭기를 사용하더라도 100㎛정도의 행정거리를 갖고, 10㎜의 행정거리는 만들 수가 없다.In addition, in the case of a horizontal linear driver, a piezoelectric element or the like has a stroke distance of about 100 μm even if a complicated amplifier is used, and a stroke length of 10 mm cannot be made.

결국, 긴 운동구간을 갖으며, 기준면을 기준으로 플러스 마이너스(±)의 양방향 운동을 가능하게 하며, 전체 구조가 대칭이 되는 6축 스테이지가 필요하다.As a result, a six-axis stage having a long motion section, enabling a positive and negative bidirectional motion with respect to the reference plane, and having the entire structure symmetrical is required.

사용예로서, 리소그라피 장비에서 요구되는 6축 스테이지 및 초정밀 6축 스테이지에 적용이 가능하다.As a use example, it can be applied to the 6-axis stage and ultra-precision 6-axis stage required in the lithography equipment.

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 창안된 것으로, 증폭기 사용 없이도 긴 운동구간을 갖을 수 있으며, 정밀 위치제어가 용이하고 구성이 간단하고 대칭적으로 배치되어 열적 불안정을 해소할 수 있는 6축 위치결정기구를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention was conceived in view of the above circumstances, and can have a long movement section without using an amplifier, and is capable of precise positioning control, simple configuration, and symmetrically arranged to solve thermal instability. Its purpose is to provide a decision-making body.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,Specific means of the present invention for achieving the above object,

베이스판 위에 배치된 이동테이블을 3차원적 방향으로 위치 이동시킬 수 있게 구성된 6축 위치결정기구에 있어서,A six-axis positioning mechanism configured to move a moving table disposed on a base plate in a three-dimensional direction,

상기 이동테이블의 하방에 배치된 위 고정판과;An upper fixing plate disposed below the moving table;

상기 베이스판과 위 고정판의 사이에 정다각 형태로 배치되어 이동테이블을 지지하고, 정다각의 꼭지점에 각각 하나씩 설치되어 Z축 직선운동과 X,Y축에 대한 틸트운동을 유도하는 적어도 3개 이상의 수직선형구동기와;At least three or more disposed between the base plate and the upper fixing plate in a regular polygonal shape to support the moving table and installed at each vertex of the regular polygonal to induce a linear movement of the Z axis and a tilting movement about the X and Y axes. A vertical linear driver;

상기 수직선형구동기는,The vertical linear driver,

상기 베이스판에 가까이 지지 배치되는 하부요크와;A lower yoke disposed close to the base plate;

상기 하부요크로부터 소정의 상방에 지지 배치되는 상부요크와;An upper yoke supported and arranged above the lower yoke;

상기 하부요크와 상부요크의 사이에 배치됨과 동시에 이들 상,하부요크와 각기 소정의 상,하부 간극을 갖고 지지되어 외부에서 인가되는 전류의 방향 또는 전압의 세기에 의해 상,하부 간극에서 발생되는 자속의 밀도차로 발생되는 인력으로 수직 승하강운동하는 전자석 코일부와;It is disposed between the lower yoke and the upper yoke and at the same time the magnetic flux generated in the upper and lower gaps by the strength of the current or the direction of the current or voltage applied to the upper and lower yokes and the predetermined upper and lower gaps, respectively, An electromagnet coil unit for vertically raising and lowering by the attraction force generated by the difference in density;

상기 상,하부 요크를 관통하여 전자석 코일부에 연결 고정되고 전자석 코일부의 동작을 상기 이동테이블에 전달하는 가동축과;A movable shaft penetrating and fixed to the electromagnet coil unit through the upper and lower yokes, and transmitting an operation of the electromagnet coil unit to the moving table;

상기 전자석 코일부측의 상,하부 간극를 유지하며, 이동테이블의 회전을 막도록 상기 가동축 또는 전자석 코일부에 지지 설치된 탄성막을 포함하고,An elastic membrane supported on the movable shaft or the electromagnetic coil part to maintain the upper and lower gaps on the electromagnetic coil part side and to prevent rotation of the moving table;

상기 이동테이블의 하방에 정다각 형태로 배치되고, 정다각의 꼭지점에 각각 하나씩 배치되어 이동테이블의 X,Y축 수평이동 및 Z축 회전각(θ)운동을 유도하는 적어도 3개 이상의 수평선형구동기와;At least three horizontal actuators arranged in a regular polygonal shape below the moving table and arranged one at each vertex of the regular polygon to induce X, Y axis horizontal movement and Z axis rotation angle (θ) movement of the movement table. Wow;

상기 수평선형구동기는,The horizontal driver,

상기 위 고정판과 베이스판의 사이에 정다각형태로 배치되어 정다각 꼭지점 각각에 위치하는 제1부재와;A first member disposed in a regular polygonal shape between the fixing plate and the base plate and positioned at each vertex of the regular polygon;

상기 위 고정판 또는 베이스판의 어느 한쪽에 고정되는 제2부재와;A second member fixed to either one of the upper fixing plate or the base plate;

상기 제1부재 및 상기 제2부재는 모두 자성을 갖는 부재이며 그 중에서 적어도 어느 하나는 전자석이고 상기 전자석에 통전되는 전류의 방향에 따라 상기 제2부재가 제1부재에 대하여 상대 이동할 수 있도록 상기 위 고정판과 베이스판의 사이에 배치되어 제1부재를 고정하는 선형구동기 고정판을 포함한 것을 특징으로 한다.The first member and the second member are both magnetic members, at least one of which is an electromagnet, and the second member can move relative to the first member according to the direction of the current supplied to the electromagnet. And a linear actuator fixing plate disposed between the fixing plate and the base plate to fix the first member.

본 발명에 따른 상기 전자석 코일부는,The electromagnet coil unit according to the present invention,

원통형의 내,외측 요크와;Cylindrical inner and outer yokes;

이들 내,외측 요크의 사이에 개재되어 대칭적으로 배치된 제1코일 및 제2코일과;First and second coils symmetrically disposed between these inner and outer yokes;

상기 제1코일과 제2코일의 사이에 개재되어 상기 상,하부 요크를 포함하여 서로 마주하는 자속 폐루프를 형성하는 영구자석으로 구성된다.It is composed of a permanent magnet interposed between the first coil and the second coil to form a magnetic flux closed loop facing each other including the upper and lower yokes.

본 발명에 따르면, 상기 수평선형구동기의 제1부재는 코일이고, 상기 제2부재는 일정 간격을 두고 대향하는 한쌍의 영구자석으로, 일측 영구자석에서 타측 영구자석으로 자속흐름이 형성되도록 하고, 상기 자속영역에 상기 코일이 위치되도록 구성한다.According to the present invention, the first member of the horizontal actuator is a coil, the second member is a pair of permanent magnets facing each other at a predetermined interval, so that the magnetic flux flow is formed from one permanent magnet to the other permanent magnet, The coil is positioned in the magnetic flux region.

본 발명에 따르면, 상기 3개의 수직선형구동기와 3개의 수평선형구동기를 2개의 정삼각형으로 서로 대칭되게 배치된 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the three vertical linear drivers and the three horizontal linear drivers are characterized by being arranged symmetrically with each other in two equilateral triangles.

본 발명에 따르면, 상기 베이스판의 저면에는 베이스판이 측정 바닥으로부터 소정량 부상한 상태에서 수평방향으로 이동할 수 있도록 적당 개소에 공기베어링부가 포함된다.According to the present invention, the bottom surface of the base plate includes an air bearing portion at a suitable location so that the base plate can move in the horizontal direction in a state where a predetermined amount is lifted from the measurement floor.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 6축 위치결정기구의 정면도.1 is a front view of a six-axis positioning mechanism according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에서 이동테이블이 제거된 상태에서 고정판에 배치된 수직선형구동기와 수평선형구동기의 배치상태를 나타내는 사시도.FIG. 2 is a perspective view illustrating an arrangement of a vertical linear driver and a horizontal horizontal driver disposed on a fixed plate in a state in which a moving table is removed from FIG. 1; FIG.

도 3은 도 1에 포함된 수직선형구동기의 조립단면도3 is an assembled cross-sectional view of the vertical linear driver included in FIG.

도 4는 도 1에서 수직선형구동기의 삼각 배치상태를 나타내는 사시도.Figure 4 is a perspective view showing a triangular arrangement of the vertical linear driver in Figure 1;

도 5는 도 1에 포함된 수평선형구동기의 사시도.5 is a perspective view of a horizontal driver included in FIG.

도 6은 도 1에 포함된 공기베어링 부분을 뒤집어서 본 사시도.FIG. 6 is a perspective view of an air bearing part included in FIG. 1 upside down. FIG.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 이동테이블 12 : 베이스판10: moving table 12: base plate

14 : 수직선형구동기 16 : 상판14 vertical linear driver 16 top plate

18 : 하판 20 : 상부요크18: lower plate 20: upper yoke

22 : 하부요크 24 : 원통형 케이스22: lower yoke 24: cylindrical case

26 : 내측요크 28 : 외측요크26: inner yoke 28: outer yoke

30 : 영구자석 32,34 : 코일30: permanent magnet 32, 34: coil

36 : 상부탄성막 38 : 하부탄성막36: upper elastic film 38: lower elastic film

40 : 가동축 50 : 수평선형구동기40: movable shaft 50: horizontal actuator

52,54 : 영구자석 56 : 코일52,54: permanent magnet 56: coil

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 6축 위치결정기구의 전체적인 조립 정면도를 나타내고 있다.1 shows an overall assembled front view of a six-axis positioning mechanism according to the present invention.

도 1에서 도면 부호 10은 이동테이블이고, 상기 이동테이블(10)은 위치 결정시키고자 하는 대상물 예로, 웨이퍼를 척킹하는 장치를 지지한다.In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a moving table, and the moving table 10 supports an apparatus for chucking a wafer, for example, an object to be positioned.

상기 이동테이블(10)은 도 2와 같이 수직선형구동기(14) 3개가 받들고 있고, 상기 이동테이블(10)의 하방에는 위 고정판(11)과 베이스판(12)이 배치되어 있고, 상기 3개의 수직선형구동기(14)는 이들 위 고정판(11)과 베이스판(12)의 사이에 배치되어 있다.The movable table 10 is supported by three vertical linear actuators 14 as shown in FIG. 2, and the upper fixing plate 11 and the base plate 12 are disposed below the movable table 10. The vertical linear actuator 14 is arranged between these upper fixing plates 11 and the base plate 12.

3개의 상기 수직선형구동기(14)들은 정삼각 형태로 배치되어 각각의 꼭지점에 하나씩 대응하여 설치되어 이동테이블(10)을 받들고 있다.The three linear linear actuators 14 are arranged in the form of an equilateral triangle and are installed corresponding to each vertex one by one to support the moving table 10.

상기 수직선형구동기(14)의 구조가 도 3의 조립단면도에 도시되어 있다.The structure of the vertical linear actuator 14 is shown in the assembled cross section of FIG.

도 3에서와 같이 상판(16)과 하판(18) 그리고 상판(16)측에 고정된 상부요크 (20), 하판(18)측에 고정된 하부요크(22)가 구비되고, 이들 상, 하부 요크(20,22)는 원통형 케이스(24)로 연결되어 있고, 이 원통형 케이스(24)의 내부에는 동축상으로 내측요크(26)와 외측요크(28)가 배치되어 있고, 내측요크(26)와 외측요크(28)의 사이에는 영구자석(30)과 제1코일(32) 및 제2코일(34)이 배치되어 있고, 상기 제1코일(32)과 상기 제2코일(34)은 영구자석(30)을 중간에 두고 각기 상부와 하부에 배치되어 있다.As shown in FIG. 3, the upper plate 16 and the lower plate 18 and the upper yoke 20 fixed to the upper plate 16 side and the lower yoke 22 fixed to the lower plate 18 side are provided. The yokes 20 and 22 are connected by a cylindrical case 24. An inner yoke 26 and an outer yoke 28 are disposed coaxially in the inside of the cylindrical case 24, and the inner yoke 26 is provided. Between the outer yoke 28 and the permanent magnet 30, the first coil 32 and the second coil 34 is disposed, the first coil 32 and the second coil 34 is permanent The magnet 30 is placed in the upper and lower portions, respectively, in the middle.

따라서 도 3과 같이 영구자석(30)의 N극을 외측에 그리고 S극을 내측에 각기배치하면, 자속의 흐름(27)은 영구자석(30)의 중앙을 기준으로 상, 하로 양분되어 N극에서 나와 S극으로 들어가는 즉, 화살표 방향으로 자속 흐름이 형성되게 되어 있다. 즉, 한쪽의 상부측 자속의 흐름은 영구자석(30), 외측요크(28), 상부요크 (20), 내측요크(26)를 거쳐 다시 영구자석(30)으로 진행하는 폐루프를 형성하고, 다른 쪽 하부측 자속의 흐름은 영구자석(30), 외측요크(28), 하부요크(22), 내측요크(26)를 거쳐 다시 영구자석(30)으로 진행하는 폐루프를 형성하게 되어 있다.Therefore, as shown in FIG. 3, when the N poles of the permanent magnets 30 are disposed on the outside and the S poles are disposed on the inside, the flow of magnetic flux 27 is divided up and down on the basis of the center of the permanent magnets 30 to N poles. The magnetic flux flows in the direction of the arrow, i.e., enters the S pole. That is, the flow of one of the upper magnetic flux forms a closed loop that passes through the permanent magnet 30, the outer yoke 28, the upper yoke 20, and the inner yoke 26 back to the permanent magnet 30, The other lower magnetic flux flows through the permanent magnet 30, the outer yoke 28, the lower yoke 22, and the inner yoke 26 to form a closed loop that proceeds to the permanent magnet 30 again.

그리고 상기 내, 외측 요크(26,28)의 상면과 상부요크(20)의 밑면과의 사이에는 미세한 간격(g1)가 구비되어 있고, 역시 내, 외측요크(26,28)의 밑면과 하부요크(22)의 상면과의 사이에도 미세한 간격(g2)이 구비되어 있다.Further, a minute gap g1 is provided between the upper surfaces of the inner and outer yokes 26 and 28 and the lower surface of the upper yoke 20, and the lower and lower yokes of the inner and outer yokes 26 and 28 are also provided. The fine space | interval g2 is provided also with the upper surface of (22).

이런 간격(g1,g2)의 유지는 상부탄성막(36)과 하부탄성막(38)에 의해 가능하게 되어 있다. 상, 하부 탄성막(36,38)은 탄성복원성을 갖는 얇은 박판형으로 이동테이블(10)의 수직운동 및 틸팅 운동을 가능하게 하며, 이동테이블의 운동시 회전 등 불필요한 운동을 없애주는 가이드 역할을 수행한다.This gap g1 and g2 can be maintained by the upper elastic film 36 and the lower elastic film 38. The upper and lower elastic membranes 36 and 38 are thin thin plates having elasticity of resilience and enable vertical movement and tilting movement of the moving table 10, and serve as a guide to eliminate unnecessary movement such as rotation during movement of the moving table. do.

상기 내측요크(26)의 중앙에는 가동축(40)이 고정 설치되어 있고, 이 가동축 (40)은 상,하부 요크(20,22)를 삽통하여 설치되어 있고, 가동축(40)의 상단부와 하단부는 각기 고정너트(42,44)가 나사결합되어 상부탄성막(36)과 하부탄성막(38)이 가동축(40)에 연결되어 있다.The movable shaft 40 is fixedly installed in the center of the said inner yoke 26, The movable shaft 40 is installed through the upper and lower yokes 20 and 22, and the upper end part of the movable shaft 40 is provided. The lower and lower ends of the fixing nuts 42 and 44 are respectively screwed together to connect the upper elastic film 36 and the lower elastic film 38 to the movable shaft 40.

이때 모든 요크(20,22,26,28)는 자속의 흐름을 원할히 형성시켜 주는 재질이 바람직하고, 원통형 케이스(24)는 자속의 흐름이 생기지 않는 예로, 알루미늄 재질이 바람직하다.At this time, all the yoke (20, 22, 26, 28) is preferably a material that forms a smooth flow of the magnetic flux, the cylindrical case 24 is an example of the magnetic flux does not occur, preferably aluminum material.

도 2와 같이 구성된 수직선형구동기(14)는 영구자석(30)이 갖는 소정의 자력에 의해 간격(g1,g2)에는 소정의 자속 밀도가 형성되어 인력이 작용한다. 이때 간격(g1,g2)에서 작용하는 자속밀도의 크기가 서로 동일하여 가동축(40)에 미치는 외력의 합은 제로로 힘의 평형상태가 나타난다. 따라서 가동축(40)은 정지상태를 유지한다.In the vertical linear actuator 14 configured as shown in FIG. 2, a predetermined magnetic flux density is formed at intervals g1 and g2 by a predetermined magnetic force of the permanent magnet 30, thereby attracting an attractive force. At this time, the magnitudes of the magnetic flux densities acting in the intervals g1 and g2 are equal to each other, so that the sum of external forces applied to the movable shaft 40 is zero. Thus, the movable shaft 40 maintains a stationary state.

이 상태에서 코일(32,34)에 각기 인가되는 전류의 크기와 인가되는 전류의 방향에 따라 간격(g1,g2)에서 발생되는 자속밀도가 변화게 된다. 예를들어, 제1코일(32)보다 제2코일(34)에 인가되는 전류의 크기가 상대적으로 크다면 하부측 간격(g2)의 자속밀도가 상부측 간격(g1)의 자속밀도보다 커져 가동축(40)은 하방으로 이동한다. 상기 코일(32,34)에 인가되는 전류는 도시안된 제어부에 의해 이루어지게 된다. 또한, 제 1코일(32)과 제 2코일(34)에 시계 반대방향으로 전류를 가하면, 하부측 간격(g2)의 자속 밀도가 상부측 간격(g1)의 자속 밀도보다 커져 가동축 (40)은 하방으로 이동한다.In this state, the magnetic flux densities generated at intervals g1 and g2 vary depending on the magnitude of the current applied to the coils 32 and 34 and the direction of the applied current. For example, if the amount of current applied to the second coil 34 is relatively larger than that of the first coil 32, the magnetic flux density of the lower side gap g2 becomes larger than the magnetic flux density of the upper side gap g1. The axis 40 moves downward. The current applied to the coils 32 and 34 is made by a controller not shown. In addition, when a current is applied to the first coil 32 and the second coil 34 in the counterclockwise direction, the magnetic flux density of the lower side gap g2 becomes larger than the magnetic flux density of the upper side gap g1 and the movable shaft 40. Moves downwards.

따라서 도 4에서 3개의 수직선형구동기(14)를 제어부에 의해 각기 동시 또는 선택적으로 구동 제어시킴에 따라 이동테이블(10)의 X,Y축 평면에 대해 이동테이블 (10)을 수직한 Z축으로의 위치결정과 X, Y축에 대한 틸팅운동( {R}_{X} , {R}_{Y} )에 대한 위치결정을 모두 수행할 수 있다.Therefore, in FIG. 4, the three vertical linear actuators 14 are driven or controlled by the control unit simultaneously or selectively, respectively, so that the movement table 10 is perpendicular to the X and Y axis planes of the movement table 10. Both positioning and tilting of the X and Y axes ({R} _ {X}, {R} _ {Y}) can be performed.

상기 상,하부 탄성막(36,38)은 박판의 원판형으로 스프링지지 및 이동 테이블의 회전운동 등 구동시 불필요한 운동을 억제하는 가이드 기능을 수행한다. 이러한 가이드 기능이 크게 요구되지 않는 경우에는 코일 스프링으로 대체될 수 있다.The upper and lower elastic membranes 36 and 38 have a disc shape of a thin plate and perform a guide function for suppressing unnecessary movement during driving, such as rotation of a spring support and a moving table. If such a guide function is not required greatly, it can be replaced by a coil spring.

한편, 본 발명은 이동테이블(10)을 X,Y축에 대한 수평운동과 X,Y축에 수직인 Z축에 대한 회전운동을 유도하기 위해 복수의 수평선형구동기(50)를 포함한다.On the other hand, the present invention includes a plurality of horizontal actuator 50 to induce a horizontal movement about the X, Y axis and a rotational movement about the Z axis perpendicular to the X, Y axis.

본 발명의 수평선형구동기(50)는 로렌츠 힘(F)을 이용한다. 즉, F=nBil으로서, 여기서 n=코일의 감긴수, B=자속밀도, I=전류, l=효과길이를 나타낸다. 본 실시예에서는 전류를 제어하여 힘의 크기를 조절하게 되어 있다.The horizontal actuator 50 of the present invention utilizes a Lorentz force (F). That is, F = nBil, where n = coil winding number, B = magnetic flux density, I = current, and l = effect length. In this embodiment, the magnitude of the force is adjusted by controlling the current.

본 실시예에서 수평선형구동기(50)는, 상기 이동테이블(10)의 하방에 도 2와 같이 정다각 형태로 배치되고, 정다각의 꼭지점에 각각 하나씩 배치된다. 본 실시예에서는 정삼각 형태로 배치된 3개의 수평선형구동기(50)가 설치되어 있다.In the present embodiment, the horizontal actuator 50 is arranged in a regular polygonal shape as shown in FIG. 2 below the moving table 10, and one at each vertex of the regular polygonal angle. In the present embodiment, three horizontal actuators 50 arranged in the form of equilateral triangles are provided.

이때 3개의 상기 수직선형구동기(14)와 3개의 상기 수평선형구동기(50)는 정삼각형으로 서로 대칭되게 배치되어 있다.In this case, the three vertical linear drivers 14 and the three horizontal linear drivers 50 are arranged in an equilateral triangle and symmetrically with each other.

상기 수평선형구동기(50)는, 위 고정판(11)의 밑면측에 장착되는 상부측 영구자석(52)과 베이스판(12)의 상면측에 장착되는 하부측 영구자석(54) 그리고 이들 영구자석(52,54)의 사이에 각각 소정의 간극을 가지고 배치되는 코일(56)을 포함한다.The horizontal actuator 50 includes an upper permanent magnet 52 mounted on the bottom of the upper fixing plate 11 and a lower permanent magnet 54 mounted on an upper surface of the base plate 12 and these permanent magnets. And a coil 56 disposed with a predetermined gap between the 52 and 54, respectively.

상기 상,하부측 영구자석(52,54)은 각기 요크(57,58)에 결합되어 있고, 이들 요크(57,58)가 각기 위 고정판(11)과 베이스판(12)에 고정 장착된 상태로 영구자석 (52,54)은 구속 지지된다.The upper and lower permanent magnets 52 and 54 are coupled to the yokes 57 and 58, respectively, and the yokes 57 and 58 are fixedly mounted to the upper fixing plate 11 and the base plate 12, respectively. The permanent magnets 52 and 54 are restrained and supported.

상기 영구자석(52,54)의 마주보는 공간에는 자기장이 어느 한 방향으로 작용하게 되어 있고, 이 자기장의 영역에 상기 코일(56)이 배치된다. 따라서 상기 코일 (56)에 전류를 인가시키면 플레밍의 왼손법칙에 의해 코일(56)을 흐르는 전류는 자기장 속에서 힘을 받는다. 따라서 코일(56)을 흐르는 전류의 방향을 제어하면 코일 (56)의 작동 힘의 방향을 제어할 수 있고, 코일(56)은 도시안된 회로 제어부의 제어신호의 전류 량에 대응하는 힘(F=nBil)을 받는다. 이때 코일(56)의 이동방향 전환은 코일(56)에 흐르는 전류의 방향을 제어함으로 이루어진다.A magnetic field acts in one direction in a space facing the permanent magnets 52 and 54, and the coil 56 is disposed in the region of the magnetic field. Therefore, when a current is applied to the coil 56, the current flowing through the coil 56 is subjected to a force in the magnetic field by Fleming's left hand law. Therefore, by controlling the direction of the current flowing through the coil 56, it is possible to control the direction of the operating force of the coil 56, the coil 56 is a force (F = corresponding to the amount of current of the control signal of the circuit control unit not shown) nBil). At this time, the moving direction of the coil 56 is changed by controlling the direction of the current flowing in the coil 56.

본 실시예에서는 코일(56)이 고정되고, 영구자석(52,54)은 코일(56)에 대해 상대적으로 자유로운 운동이 가능하도록 위 고정판(11)에 고정 설치된다. 이를 위해 3개의 수평선형구동기(50)측 코일(56)들은 위 고정판(11)과 베이스판(12)의 사이에 배치된 고정판(60)에 장착되어 있다.In the present embodiment, the coil 56 is fixed, and the permanent magnets 52 and 54 are fixed to the upper fixing plate 11 to allow relatively free movement with respect to the coil 56. To this end, the three horizontal actuator 50 side coils 56 are mounted on a fixed plate 60 disposed between the upper fixing plate 11 and the base plate 12.

이와 같이 구성된 3개의 수평선형구동기(50)를 이용하면 위 고정판(11)과 베이스판(12)에 고정된 수직선형구동기(14)를 움직이게 되고, 이 수직선형구동기(14)의 고정너트(42)와 함께 연결이 되어 있는 이동테이블(10)을 X,Y축에 대해 수평이동과 X,Y축에 수직인 Z축에 대한 회전운동을 모두 유도할 수 있다.When the three horizontal actuators 50 configured as described above are used to move the vertical linear actuator 14 fixed to the upper fixing plate 11 and the base plate 12, the fixing nut 42 of the vertical linear actuator 14 is moved. ) Can move both the horizontal movement with respect to the X, Y axis and the rotational movement about the Z axis perpendicular to the X, Y axis.

즉, 3개의 수평선형구동기(50)의 각 벡타 성분 운동을 이용하여 X,Y축에 대한 수평이동과 Z축에 대한 회전운동을 유도할 수 있다.That is, the horizontal motion about the X and Y axes and the rotational motion about the Z axis can be induced by using the vector component motions of the three horizontal drivers 50.

상기 실시예에서는 영구자석(52,54)을 이동형으로 설치하였으나 본 발명은 영구자석(52,54)을 각기 위 고정판(11)과 베이스판(12)에 고정 장착하고, 코일(56)을 이동테이블(10) 또는 베이스판(12)에 고정 장착하여 코일(56)이 상대적으로 운동하여 이동테이블(10)의 위치결정을 유도할 수도 있다.In the above embodiment, the permanent magnets 52 and 54 are installed in a movable type, but the present invention permanently mounts the permanent magnets 52 and 54 to the fixing plate 11 and the base plate 12, respectively, and moves the coil 56. The coil 56 may be relatively moved by the fixed mounting on the table 10 or the base plate 12 to induce positioning of the moving table 10.

한편, 본 발명은 이동테이블(10)의 회전 및 수평 평면 운동이 지면에서 소정량 부상한 상태에서 일어나도록 이동테이블(10)에 매개된 베이스판(12)의 저면에복수 개소에 공기베어링(13)을 더 설치할 수 있다. 이 공기베어링(13)의 설치 개소는 베이스판(12)을 수평상태로 유지할 수 있도록 적어도 3개소 이상으로 배치된다.On the other hand, the present invention is the air bearing 13 in a plurality of places on the bottom surface of the base plate 12 mediated in the moving table 10 so that the rotation and horizontal plane motion of the moving table 10 occurs in a state of floating a predetermined amount from the ground. ) Can be installed more. At least three locations of the air bearings 13 are arranged so that the base plate 12 can be held in a horizontal state.

이렇게 공기베어링(13)이 설치되면 베이스판(12)은 공기베어링(13)에서 나오는 공기압에 의해 지면에서 이동테이블(10)과 함께 소정량 부상한다. 따라서 이동테이블(10)이 수평운동을 하거나 회전운동을 할 경우에 지면과 거의 마찰손실이 없이 작동된다.When the air bearing 13 is installed in this way, the base plate 12 floats a predetermined amount together with the moving table 10 on the ground by the air pressure from the air bearing 13. Therefore, when the movable table 10 performs horizontal movement or rotational movement, the movable table 10 is operated with almost no friction loss with the ground.

상술한 바와 같이 본 발명의 6축 위치결정기구에 따르면, 수직선형구동기가 대칭적인 구조를 갖기 때문에 열적 상태에 따른 구조상의 단점을 줄여 3축 운동의 위치를 정밀하고도 안정적으로 제어할 수 있다.As described above, according to the six-axis positioning mechanism of the present invention, since the vertical linear actuator has a symmetrical structure, it is possible to precisely and stably control the position of the three-axis movement by reducing the structural disadvantages caused by the thermal state.

그리고 공기부상 시스템이 적용되어 마찰력 없는 정밀한 위치결정으로의 운동을 유도할 수 있다.In addition, an air levitation system can be applied to induce movement to precise positioning without friction.

Claims (5)

베이스판 위에 배치된 이동테이블을 3차원적 방향으로 위치 이동시킬 수 있게 구성된 6축 위치결정기구에 있어서,A six-axis positioning mechanism configured to move a moving table disposed on a base plate in a three-dimensional direction, (A) 상기 이동테이블의 하방에 배치된 위 고정판과;(A) an upper fixing plate disposed below the moving table; (B) 상기 베이스판과 위 고정판의 사이에 정다각 형태로 배치되어 이동테이블을 지지하고, 정다각의 꼭지점에 각각 하나씩 설치되어 Z축 직선운동과 X,Y축에 대한 틸트운동을 유도하는 적어도 3개 이상의 수직선형구동기와;(B) is arranged in a regular polygonal shape between the base plate and the upper fixed plate to support the moving table, and installed at each vertex of the regular polygon to at least induce a linear movement of the Z axis and a tilting motion of the X and Y axes. Three or more vertical linear drivers; 상기 수직선형구동기는,The vertical linear driver, 상기 베이스판에 가까이 지지 배치되는 하부요크와;A lower yoke disposed close to the base plate; 상기 하부요크로부터 소정의 상방에 지지 배치되는 상부요크와;An upper yoke supported and arranged above the lower yoke; 상기 하부요크와 상부요크의 사이에 배치됨과 동시에 이들 상,하부요크와 각기 소정의 상,하부 간극을 갖고 지지되어 외부에서 인가되는 전류의 방향 또는 전압의 세기에 의해 상,하부 간극에서 발생되는 자속의 밀도차로 발생되는 인력으로 수직 승하강운동하는 전자석 코일부와;It is disposed between the lower yoke and the upper yoke and at the same time the magnetic flux generated in the upper and lower gaps by the strength of the current or the direction of the current or voltage applied to the upper and lower yokes and the predetermined upper and lower gaps, respectively, An electromagnet coil unit for vertically raising and lowering by the attraction force generated by the difference in density; 상기 상,하부 요크를 관통하여 전자석 코일부에 연결 고정되고 전자석 코일부의 동작을 상기 이동테이블에 전달하는 가동축과;A movable shaft penetrating and fixed to the electromagnet coil unit through the upper and lower yokes, and transmitting an operation of the electromagnet coil unit to the moving table; 상기 전자석 코일부측의 상,하부 간극를 유지하며, 이동테이블의 회전을 막도록 상기 가동축 또는 전자석 코일부에 지지 설치된 탄성막을 포함하고,An elastic membrane supported on the movable shaft or the electromagnetic coil part to maintain the upper and lower gaps on the electromagnetic coil part side and to prevent rotation of the moving table; (C) 상기 이동테이블의 하방에 정다각 형태로 배치되고, 정다각의 꼭지점에각각 하나씩 배치되어 이동테이블의 X,Y축 수평이동 및 Z축 회전각(θ)운동을 유도하는 적어도 3개 이상의 수평선형구동기와;(C) at least three or more arranged in a regular polygonal shape below the moving table, one at each vertex of the regular polygon to induce X, Y axis horizontal movement and Z axis rotation angle (θ) movement of the moving table. Horizontal driver; 상기 수평선형구동기는,The horizontal driver, 상기 위 고정판과 베이스판의 사이에 정다각형태로 배치되어 정다각 꼭지점 각각에 위치하는 제1부재와;A first member disposed in a regular polygonal shape between the fixing plate and the base plate and positioned at each vertex of the regular polygon; 상기 위 고정판 또는 베이스판의 어느 한쪽에 고정되는 제2부재와;A second member fixed to either one of the upper fixing plate or the base plate; 상기 제1부재 및 상기 제2부재는 모두 자성을 갖는 부재이며 그 중에서 적어도 어느 하나는 전자석이고 상기 전자석에 통전되는 전류의 방향에 따라 상기 제2부재가 제1부재에 대하여 상대 이동할 수 있도록 상기 위 고정판과 베이스판의 사이에 배치되어 제1부재를 고정하는 선형구동기 고정판을 포함한 것을 특징으로 하는 6축 위치결정기구.The first member and the second member are both magnetic members, at least one of which is an electromagnet, and the second member can move relative to the first member according to the direction of the current supplied to the electromagnet. A six-axis positioning mechanism comprising a linear actuator fixing plate disposed between the fixing plate and the base plate to fix the first member. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전자석 코일부는,The electromagnet coil portion, 원통형의 내,외측 요크와;Cylindrical inner and outer yokes; 이들 내,외측 요크의 사이에 개재되어 대칭적으로 배치된 제1코일 및 제2코일과;First and second coils symmetrically disposed between these inner and outer yokes; 상기 제1코일과 제2코일의 사이에 개재되어 상기 상,하부 요크를 포함하여 서로 마주하는 자속 폐루프를 형성하는 영구자석으로 구성된 것을 특징으로 하는 6축 위치결정기구.And a permanent magnet interposed between the first coil and the second coil to form a magnetic flux closed loop facing each other including the upper and lower yokes. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수평선형구동기의 제1부재는 코일이고, 상기 제2부재는 일정 간격을 두고 대향하는 한쌍의 영구자석으로, 일측 영구자석에서 타측 영구자석으로 자속흐름이 형성되도록 하고, 상기 자속영역에 상기 코일이 위치되도록 구성한 것을 특징으로 하는 6축 위치결정기구.The first member of the horizontal actuator is a coil, the second member is a pair of permanent magnets opposed to each other at a predetermined interval, the magnetic flux flow is formed from one permanent magnet to the other permanent magnet, the coil in the magnetic flux region 6-axis positioning mechanism, characterized in that configured to be positioned. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 3개의 수직선형구동기와 3개의 수평선형구동기를 2개의 정삼각형으로 서로 대칭되게 배치한 것을 특징으로 하는 6축 위치결정기구.And the three vertical linear drivers and the three horizontal linear drivers are symmetrically arranged in two equilateral triangles. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 베이스판의 저면에는 베이스판이 측정 바닥으로부터 소정량 부상한 상태에서 수평방향으로 이동할 수 있도록 적당 개소에 공기베어링부가 포함된 것을 특징으로 하는 6축 위치결정기구.The bottom surface of the base plate is a six-axis positioning mechanism, characterized in that the air bearing portion is included in a suitable place so that the base plate can move in the horizontal direction in a state in which the base plate floats a predetermined amount from the measurement floor.
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