KR100462388B1 - Ｖｃｍ을 이용한 ｘ-ｙ 정밀구동 스테이지 장치 - Google Patents
Ｖｃｍ을 이용한 ｘ-ｙ 정밀구동 스테이지 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 마이크로스코프 등에서 사용되는 시편이송기구에 관련된 2축 운동을 갖는 판스프링과 VCM을 이용한 XY 스테이지장치에 관한 것으로, 고정된 양측을 중심으로 구동되는 부분과 구동하는 부분에 탄성수단으로 연결되어 동일방향으로 구동하는 부분으로 이루어진 동일구조의 X축방향 이동 스테이지 및 Y축방향 이동 스테이지와, 상기 각 스테이지에 구동력을 제공하는 수단으로서 각각 결합되는 자력발생수단을 포함하여 2축운동을 가능하게 함으로써 시편의 2축 위치결정을 정밀하게 제어하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 XY축으로 정밀하게 움직이는 VCM(Voice Coil Motor)을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치에 관한 것으로, 동일 구조의 Y축방향 이동 스테이지 및 X축방향 이동 스테이지의 상부에 각각의 자력발생수단을 연결하여 각 스테이지가 힘의 이동방향으로 이동할때 각 스테이지에 상호 운동간섭이 없이 원활하게 2축으로 이동이 이루어지는 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로스고프에서 시편을 이송하기 위한 XY스테이지로 구동 방법을 초정밀 분야에서는 피에죠소자(PZT)를 이용하는 경우가 많다. 그러나, PZT의운동량이 1㎚∼10㎛로 제한되어 있어, 증폭기 구조를 변경하여 사용을 하더라도 수십∼수백 ㎛정도로 밖에 증폭을 할 수가 없다.
또한, 증폭기 구조를 이용을 하기 때문에 스테이지의 시스템이 복잡하여진다. 수 ㎝의 행정을 이동하고자 한다면, 구동기가 하나 더 필요하게 된다.
아울러, 모터와 리니어가이드(볼 베어링, 볼 스크류 등)를 이용하는 경우는 장행정의 움직임이 필요함으로 이 때에는 큰 문제가 없으나, 마찰에 의한 정밀도에서는 한계를 나타나게 된다. 이 때 마찰의 한계는 약 100㎚ 정도가 된다. 그러나 평면운동과 수직인 방향에서는 기대치에 부응하지 못하는 운동을 갖게 된다.
다음으로 공기베어링 가이드를 사용을 하고 리니어 모터를 이용을 하는 경우가 있다. 이 경우에는 수십㎚∼수백㎜의 긴 영역을 구동을 할 수 있다. 그러나 이러한 장점에 비하여 구조가 크고 복잡하며, 공기베어링에 의한 평면 운동과 상관이 없는 상하의 운동을 일으켜 상하를 잡아줄 수 있는 부가의 구동스테이지를 필요로 하게된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 제 1목적은 운동방향 이외에 다른 방향을 운동을 포함하지 않으며, 열적변화에 안정한 대칭적구조 및 간단하면서도 2축운동이 용이한 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제 2목적은 고정된 양측을 중심으로 구동되는 부분과 구동하는 부분에 탄성수단으로 연결되어 동일방향으로 구동하는 부분으로 이루어진 동일구조의 X축방향 이동 스테이지 및 Y축방향 이동 스테이지와, 상기 각 스테이지에 구동력을 제공하는 수단으로서 각각 결합되는 자력발생수단을 포함하는 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치를 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적들은, Y축 방향으로 왕복 이동되는 시편이송부(50)가 상부에 장착되도록 상기 시편이송부(50)의 양측에 각각 연결 고정되어 상기 시편이송부(50)와 함께 이동되는 한쌍의 제 1연결유닛(24)과,
상기 제 1연결유닛(24)의 사이에 위치하는 제 1중앙유닛(21) 및 상기 제 1중앙유닛(21)의 양측에 축방향으로 평행하도록 각각 구비되는 한쌍의 제 1보조유닛(23)과,
상기 제 1중앙유닛(21)이 연속적으로 관통 고정되고, 상호 병렬로 배치되어 각 양측이 상기 각 제 1보조유닛(23)의 사이에 결합되는 한쌍의 제 1직선스프링(21a)과.
상기 각 제 1직선스프링(21a)을 사이에 두고 대칭되도록 상기 각 제 1보조유닛(23)의 양측에 상호 병렬로 결합되며, 상기 각 제 1연결유닛(24)이 관통 결합되는 한쌍의 제 1보조직선스프링(23a)으로 이루어지는 Y축방향 이동 스테이지(20);
X축 방향으로 왕복 이동하는 제 2중앙유닛(31) 및 상기 제 2중앙유닛(31)의 이동방향에 평행하도록 양측에 대칭되게 각각 구비되는 한쌍의 제 2보조유닛(33)와,
상기 각 제 2보조유닛(33)의 사이에 상호 병렬로 배치 결합되어 상기 제 1중앙유닛(21)이 연속적으로 관통 결합되는 한쌍의 제 2직선스프링(31a)과,
상기 제 2직선스프링(31a)을 사이에 두고 대칭되도록 상기 각 제 2보조유닛(33)의 양측에 상호 병렬로 결합되는 한쌍의 제 2보조직선스프링(33a)과,
상기 각 제 2보조직선스프링(33a)의 중앙 부위에 각각 관통 결합되는 한쌍의 제 2연결유닛(34)으로 이루어져 상기 제 1중앙유닛(21)과 상기 제 2중앙유닛(31)이 상호 90°각도로 엇갈리도록 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 하부에 대응 결합되는 X축방향 이동 스테이지(30);
상단이 개봉된 육면체 형태를 취하며, 안측에 각각 결합 고정되는 상기 각 제 2연결유닛(34)으로 상기 X축방향 이동 스테이지(30)가 저면에 안치되는 스테이지 베이스(10);
상기 시편이송부(50)가 상기 제 1중앙유닛(21)에 대해 상대적으로 Y축 방향으로 이동되고, 상기 제 2중앙유닛(31)이 상기 제 2연결유닛(34)에 대해 상대적으로 X축방 향으로 이동되도록 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)에 각각 결합되어 상호 대칭을 이루어 자기적인 구속으로 X축 또는 Y축방향의 이동을 선택적으로 강제해 낼 수 있는 한쌍의 자력발생수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치에 의해서 달성된다.
이러한, 상기 각 자력발생수단(40)은 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)을 각각 통체로 가로질러 권취되어 인가되는 전류에 따라 자력을 발생하는 코일(44)과, 상기 코일(44)에 대해 자기적으로 대응하여 코일(44)의 자력방향에 수직하게 자속을 발산하는 영구자석(45) 및 상기 영구자석(45)이 안측에 결합 고정되는 요크(41)로 이루어지는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 각 자력발생수단(40)은 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)의 양측에 결합되어 인가되는 전류에 따라 자력을 발생하는 코일(44)과, 상기 코일(44)의 상부에 결합되어 상기 코일(44)의 자력방향에 수직하게 자속을 발산하도록 상호 일정한 간격을 두고 상이한 극성으로 대치하는 한쌍의 영구자석(45)과, 상부는 상기 코일(44)의 하부에 결합되고, 하부는 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)의 상면에 결합되는 제 1요크(42) 및 상기 각 영구자석(45)의 상부에 걸쳐 결합되어 상기 영구자석(45)과 코일(44)의 사이에 상대적인 자력발생을 유도하도록 상기 제 1요크(42)와 더불어 상기 각 영구자석(45)의 자속이 연계시키는 제 2요크(43)로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 각 자력발생수단(40)은 하부에 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)이 결합되는 제 1요크(42)와, 상기 제 1요크(42)의 측면을 가로질러 위치하며, 타단은 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)과 결합되고 일단은 상호 일정한 간격을 두고 상이한 극성으로 대치하는 한쌍의 영구자석(45)의 측면에 결합되는 연결바(45)와, 상기 영구자석(45)의 상부에 위치하며, 인가되는 전류로 상기 영구자석(45)의 자속방향에 수직하게 자력을 발생하는 코일(44) 및 상기 코일(44)의 상부에 위치하여 상기 코일(44)과 영구자석(45)의 사이에 상대적인 자력발생이 유도되도록 상기 제 1요크(42)와 더불어 상기 영구자석(45)의 자속을 연계시키는 제 2요크(43)로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)는 상기 X축방향 이동 스테이지(30)에 의해 적층결합되도록 상기 X축방향 이동 스테이지(30)의 제 2중앙유닛(31)의 측부에 높이방향으로 형성된 두쌍의 끼움홈(31b)에 끼워지는 두쌍의 다리(21b)가 상기 제 1중앙유닛(21)의 하부에는 더 형성되는 것이 바람직하다.
이 때 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 작동이 상기 X축방향 이동 스테이지(30)에 의해 간섭받지 않도록 상기 X축방향 이동 스테이지(30)에 대해 소정높이로 이격시키는 한쌍의 단턱부(22c)가 상기 제 1중앙유닛(21)의 하부에 더 돌출 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 스테이지 베이스(10)의 상부 각 테두리에는 상기 시편이송부(50)의 변위를 감지하는 센서가 테두리 별로 장착되도록 상호 대칭되는 두쌍의 센서홈(12)이 더 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 사시도,
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 Y축방향 이동 스테이지 및 X축방향 이동 스테이지의 개념도,
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 1분해사시도,
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 2분해사시도,
도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 3분해사시도,
도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 자력발생수단의 구성도,
도 7은 본 발명의 제 1실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 측면도,
도 8은 본 발명의 제 1실시예에 따른 Y축방향 이동 스테이지의 사시도,
도 9은 본 발명의 제 1실시예에 따른 X축방향 이동 스테이지의 사시도,
도 10은 본 발명의 제 2실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 1분해사시도,
도 11은 본 발명의 제 2실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 2분해사시도,
도 12는 본 발명의 제 2실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 3분해사시도,
도 13은 본 발명의 제 2실시예에 따른 자력발생수단의 구성도,
도 14는 본 발명의 제 3실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 1분해사시도,
도 15는 본 발명의 제 3실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 2분해사시도,
도 16은 본 발명의 제 3실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 3분해사시도,
도 17은 본 발명의 제 3실시예에 따른 자력발생수단의 구성도,
< 도면의 주요부분에 따른 부호의 설명 >
10: 스테이지 베이스 11: 제 2홈부
12: 센서홈 20: Y축방향 이동 스테이지
21: 제 1중앙유닛 21a: 제 1직선스프링
21b: 다리 22c: 단턱부
23: 제 1보조유닛 23a: 제 1보조직선스프링
24: 제 1연결유닛 30: X축방향 이동 스테이지
31: 제 2중앙유닛 31a: 제 2직선스프링
31b: 끼움홈 33: 제 2보조유닛
33a: 제 2보조직선스프링 34: 제 2연결유닛
40: 자력발생수단 41: 요크
42: 제 1요크 43: 제 2요크
44: 코일 45: 영구자석
46: 연결바 50: 시편이송부
51: 연결부재 52: 제 1홈부
100: VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치
다음으로는 본 발명에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 Y축방향 이동 스테이지 및 X축방향 이동 스테이지의 개념도이고, 도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 1분해사시도이고, 도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 2분해사시도이고, 도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 3분해사시도이고, 도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 자력발생수단의 구성도이며, 도 7은 본 발명의 제 1실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 측면도이다.
도 1, 도 2, 도 3, 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치(100)는 고정된 양측을 중심으로 구동되는 부분과 구동하는 부분에 탄성수단으로 연결되어 동일방향으로 구동하는 부분으로 이루어진 동일구조의 X축방향 이동 스테이지(30) 및 Y축방향 이동 스테이지(20)와, 상기 각 스테이지(20, 30)에 구동력을 제공하는 수단으로서 각각 결합되는 자력발생수단(40)을 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 상부에는 시편이송부(50)가 결합되고, 상기 X축방향 이동 스테이지(30)는 용기 형태의 스테이지 베이스(10) 내에 장착되는데, 이 때 상기 각 스테이지(20, 30)는 서로 교차되도록 하여 적층 결합됨으로써, 궁극적으로는 상기 각 자력수단(40)에 선택적으로 전류를 인가하여 상기 시편이송부(50)를 X축 또는 Y축으로 직선 이송시킬 수 있다.
여기서 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)는 앞에서 언급된 자력발생수단(40)이 상부의 제 1중앙유닛(21)에 결합되어 발생되는 자력으로 Y축방향의 이송에 필요한 구동력을 제공받고, 상기 자력발생수단(40)의 상부에는 시편이송부(50)가 위치한다.
이러한 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)는 중앙의 제 1중앙유닛(21)을 중심으로 상기 제 1중앙유닛(21)의 길이방향에 평행하도록 양측에 각각 구비되어 상기 제 1중앙유닛(21)의 이동방향에 평행하게 직선이동하는 한쌍의 제 1보조유닛(23)과, 상기 제 1중앙유닛(21)의 폭방향으로 대칭되게 양측에 각각 구비되는 한쌍의 제 1연결유닛(24)을 포함하여 이루어진다.
또한 상기 제 1중앙유닛(21)의 동작이 제 1보조유닛(23)을 강제해낼 수 있도록 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)에는 상기 제 1중앙유닛(21)이 연속적으로 관통 결합되고, 각 양측이 상기 각 제 1보조유닛(23)에 결합되도록 상기 제 1보조유닛(23)의 사이에 상호 병렬로 배치되는 한쌍의 제 1직선스프링(21a)과, 상기 제 1직선스프링(21a)에 대해 병렬이 되도록 상기 제 1보조유닛(23)의 각 양측 사이에 결합되는 한쌍의 제 1보조직선스프링(23a)이 포함되어 있다.
이 때 상기 시편이송부(50)는 양측 부위에 하향으로 연장되고 다시 안측방향으로 절곡된 한쌍의 연결부재(51)가 구비되는데, 상기 연결부재(51)는 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 양측에 구비되는 제 1연결유닛(24)에 외곽에서 하부 안측으로 끼워짐으로써, 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)에 결합되며, 저면에 형성된 제 1홈부(52)에는 상기 자력발생수단(40)의 요크(40)가 끼움 결합된다.
그리고 상기 X축방향 이동 스테이지(30)는 상기 각 스테이지(20, 30)의 하부가 상호 대면하면서 90°로 교차되는 일종의 적층 결합방식으로 연결되는데, 이 때 자력발생수단(40)은 제 2중앙유닛(31)에 코일(44)로 결합되어 상기 코일(44)에 전류가 인가되면, 상기 Y축방향 스테이지(20)에 대해 상대적으로 X축방향으로 구동되면서, 상기 제 2중앙유닛(31)이 직선 이동된다.
이러한 이러한 상기 X축방향 이동 스테이지(30)는 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)와 구조적으로 동일한데, 중앙에 위치하는 제 2중앙유닛(31)과, 상기 제 2중앙유닛(31)을 중심으로 상기 제 2중앙유닛(31)의 양측에 각각 구비되어 상기 제 2중앙유닛(31)의 이동방향에 평행하게 직선이동하는 한쌍의 제 1보조유닛(23)과, 상기 제 2중앙유닛(31)의 폭방향으로 대칭되게 양측에 각각 구비되는 한쌍의 제 2연결유닛(34)을 포함하여 이루어진다.
또한 상기 제 2중앙유닛(31)의 동작이 제 2보조유닛(33)을 강제할 수 있도록 상기 X축방향 이동 스테이지(30)에는 상기 제 2중앙유닛(31)이 연속적으로 관통 결합되고, 각 양측이 상기 각 제 2보조유닛(33)에 결합되도록 상기 제 2보조유닛(33)의 사이에 상호 병렬로 배치되는 한쌍의 제 2직선스프링(31a)과, 상기 제 2직선스프링(31a)에 대해 병렬이 되도록 상기 제 2보조유닛(33)의 각 양측 사이에 결합되는 한쌍의 제 2보조직선스프링(33a)이 포함되어 있다.
아울러 상기 각 스테이지(20, 30)에 구동력을 제공하기 위해 각각 장착되는 자력발생수단(40)은 외형을 이루는 요크(41)와, 상기 요크(41)의 안측에 결합되어 일체로 이동되는 영구자석(45)과, 상기 영구자석(45)의 자속(Flux)에 대해 수직한 방향으로 자력을 발산하는 코일(44) 등으로 이루어지는데, 상기 자력의 크기는 상기 자력발생수단(40)에 구비되는 영구자석(45)에서 발산되는 자기력의 흐름밀도와, 상기 코일(44)의 길이 및 권취횟수 및 전류의 크기에 비례한다.
이 때 상기 요크(41)는 상기 영구자석(45)과 코일(44)의 자속을 연계시켜주며, 상기 코일(44)은 상기 각 스테이지의 제 1중앙유닛(21)과 제 2중앙유닛(31)에통체로 권취됨으로써, 상기 요크(41) 및 영구자석(45)에 대해 상대적으로 상기 각 중앙유닛(21, 31)과 더불어 이동될 수 있다.
아울러 상기와 같이 결합된 Y축방향 이동 스테이지(20)의 제 1중앙유닛(21)의 하부에는 두쌍의 다리(21b) 및 한쌍의 단턱부(22c)가 상호 대칭이 되도록 높이방향을 따라 하향 형성되는데, 상기 다리(21b)는 상기 X축방향 이동 스테이지(30)의 제 2중앙유닛(31)에 높이방향을 따라 형성된 끼움홈(31b)에 끼워져 결합된다.
상기 각 단턱부(22c)는 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 이동이 상기 X축방향 이동 스테이지(30)에 의해 간섭받지 않도록 상기 각 스테이지(20, 30)의 사이를 소정높이로 이격시켜 주는 것으로, 상기 단턱부(22c)는 하부는 상기 제 2중앙유닛(31)의 하부에 밀착된다.
아울러 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)와 X축방향 이동 스테이지(30)는 상술한 바와 같이 스테이지 베이스(10)의 하부에 장착되는 2단 연결구조를 취하는데, 이 때 상기 스테이지 베이스(10)의 저면에 형성된 제 2홈부(11)에 상기 X축방향 이동 스테이지(30)의 자력발생수단(40)의 요크(41)가 결합되고, 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)가 상기 X축방향 이동 스테이지(30)에 적층 결합됨으로써, 상기 스테이지 베이스(10)에 포함된다.
상기 스테이지 베이스(10)는 상부가 개봉된 육면체 형상을 취하는 일종의 하우징으로서, 상부의 각 테두리 별로 그 중앙에는 개별적으로 센서가 장착되도록 센서홈(12)이 형성되어 있는데, 상기 센서는 정전류형센서 또는 인터페로미터로서, 제어기에 전기적으로 연결되어 감지한 상기 시편이송부(50)의 이송정도를 상기 제어기에 송출하게 된다.
따라서 상기 제어기에는 상기 각 센서의 감지신호를 기초로 상기 시편이송부(50)의 변위를 측정하게 되며, 상기 측정된 변위량에 따라 상기 각 자력발생수단(40)의 코일(44)에 인가되는 전류량을 조절하게 된다.
한편 상기 각 스테이지(20, 30) 별로 코일(44)에 대한 전류인가에 따른 동작관계를 기술하면 다음과 같다.
따라서 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)에 구비된 자력발생수단(40)의 코일(44)에 전류가 인가되면, 상기 코일(44) 및 제 1중앙유닛(21)은 고정되고 요크(41) 및 영구자석(45)이 상대적으로 이동되면서 상기 요크(41)의 상부에 위치하는 상기 시편이송부(50) 및 상기 시편이송부(50)의 다리(21b)에 결합된 제 1연결유닛(24)이 일체로 Y축방향으로 구동하게 된다.
그리고 상기 X축방향 이동 스테이지(30)의 코일(44)에 전류가 인가되면, 요크(41)는 스테이지 베이스(10)의 제 2홈부(11)에 끼움 결합되어 있기 때문에, 상대적으로 코일(44) 및 상기 코일(44)에 결합된 제 2중앙유닛(31)이 구동하면서 상기 Y축방향 이동 스테이지(20) 전체가 동반 구동하게 되며, 결과적으로 상기 시편이송부(50)가 X축방향으로 구동하게 된다.
이와 같이 상기 각 스테이지 장치(20, 30)는 자속의 방향과 전류가 흐르는 방향에 대해 수직하게 자력이 발생된다는 로렌츠 법칙에 따라 선택적으로 고정되는 부분에 대해 고정되지 않은 부분이 작동하게 되는 자력발생수단(40)의 상대적인 구동원리가 적용된 것으로, 코일(44)과 영구자석(45)의 상호 자기적인 구속으로 X축또는 Y축 방향의 선택적인 시편이송부(50)의 변위가 가능하다.
도 8는 본 발명의 제 1실시예에 따른 Y축방향 이동 스테이지의 사시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, Y축방향 이동 스테이지(20)는 제 1중앙유닛(21)과, 상기 제 1중앙유닛(21)과 평행하도록 양측에 대칭되게 구비되는 한쌍의 제 1보조유닛(23)과, 상호 병렬로 배치되어 상기 제 1중앙유닛(21)을 수직으로 관통 결합하여 각 양측이 상기 제 1보조유닛(23)에 결합하는 한쌍의 제 1직선스프링(21a)과, 상기 제 1직선스프링(21a)이 사이에 위치하도록 상기 제 1보조유닛(23)의 양측의 사이에 각각 결합하는 한쌍의 제 1보조직선스프링(23a)과, 상기 각 제 1보조직선스프링(23a)의 중앙부위에 관통 결합되는 한쌍의 제 1연결유닛(24)으로 이루어져 있다.
여기서, 상기 제 1중앙유닛(21)은 상부에 연결된 자력발생수단(40)에 발생되는 힘에 따라 이동되는데, 이 때 상기 제 1중앙유닛(21)의 양측에 병렬로 관통결합된 상기 제 1직선스프링(21a)의 탄성반발력에 반비례하여 왕복이송되어 진다.
그리고, 상기 자력발생수단(40)에서 발생된 자기력은 상기 제 1중앙유닛(21)을 거처 한쌍의 상기 제 1보조유닛(23)에 각각 반분되게 전달되며, 따라서 상기 제 1중앙유닛(21)이 왕복이송되는 거리에 반분되게 상기 제 1보조유닛(23)이 이동된다.
아울러, 상기 제 1직선스프링(21a) 및 제 1보조직선스프링(23a)은 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 왕복이송운동에 따른 상대적인 가이드역활과 힘의 전달역할을 동시에 구현한다.
또한, 상기 제 1직선스프링(21a) 및 제 1보조직선스프링(23a)은 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 왕복이송운동에 따른 탄성력으로 인한 반발력으로 작은 힘에도 원할하게 왕복이송될 수 있도록 역할을 한다.
상기와 같은 이동은 Y축방향으로 이동을 의미하지만 이러한 이동으로 X축방향 또는 Z축방향으로의 이동도 더불어 발생할 수 있다.
이 때 Y축방향의 이동은 제 1직선스프링 및 제 2보조직선스프링의 측면에 수직한 방향으로 진행되려하기 때문에, 원활한 이동이 가능하지만, 상기 X축 또는 Z축방향으로의 이동은 각각 상기 제 1직선스프링 및 제 1보조직선스프링의 길이방향 또는 폭방향을 따라 진행되어 상기 Y축방향으로의 이동이 비해 상대적으로 더 큰 탄성력에 의해 저지된다.
따라서 상기 X축 또는 Z축방향으로의 이동은 그 움직임의 크기가 거의 없거나 미미하다.
도 9은 본 발명의 제 1실시예에 따른 X축방향 이동 스테이지의 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, X축방향 이동 스테이지(30)는 중앙의 제 2중앙유닛(31)을 중심으로 상기 제 2중앙유닛(31)의 길이방향에 평행하도록 양측에 각각 구비되어 상기 제 2중앙유닛(31)의 이동방향에 평행하게 직선이동하는 한쌍의 제 2보조유닛(33)과, 상기 제 2중앙유닛(31)의 폭방향으로 대칭되게 양측에 각각 구비되는 한쌍의 제 2연결유닛(34)을 포함하여 이루어진다.
제 2실시예에서 설명하기 앞서 X축방향 이동 스테이지 및 Y축방향 이동 스테이지가 제 1실시예와 같은 구조로 이루어지므로 간략하게 기술하기로 한다.
도 10은 본 발명의 제 2실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 1분해사시도이고, 도 11은 본 발명의 제 2실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 2분해사시도이고, 도 12는 본 발명의 제 2실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 3분해사시도이며, 도 13은 본 발명의 제 2실시예에 따른 자력발생수단의 구성도이다.
도 10, 도 11, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치(100)는 자력발생수단(40)과, 전류가 인가되면 자기력을 발현하는 자력발생수단(40)이 제 1중앙유닛(21)의 상부에 연결되어 축방향으로 왕복이송되는 Y축방향 이동 스테이지(20)와, 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 하부에 상호 90°각도로 엇갈리도록 대응 결합되는 X축방향 이동 스테이지(30)와, 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 제 1연결유닛(24)으로 고정되는 시편이송부(50)와, 상기 각 스테이지(20, 30)가 결합된 상태로 삽입될 수 있도록 상부가 개방된 직육면체의 스테이지 베이스(10)로 이루어져 있다.
여기서, 상기 자력발생수단(40)은 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)의 양측에 결합되어 인가되는 전류에 따라 자력을 발생하는 코일(44)과, 상기 코일(44)의 상부에 결합되어 상기 코일(44)의 자기력방향에 수직하게 자속을 발산하도록 상호 일정한 간격을 두고 상이한 극성으로 대치하는 한쌍의 영구자석(45)과, 상부는 상기 코일(44)의 하부에 결합되고, 하부는 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)의 상면에 결합되는 제 1요크(42) 및 상기 각 영구자석(45)의 상부에 걸쳐 결합되어 상기 영구자석(45)과 코일(44)의 사이에 상대적인 자력발생을 유도하도록 상기 제 1요크(42)와 더불어 상기 각 영구자석(45)의 자속이 연계시키는 제 2요크(43)로 이루어져 있다.
아울러, 상기 자력발생수단(40)의 코일(44)은 인가되는 전류가 일방향으로 순환될 수 있도록 사각의 고리형상을 취하고 있으며, 상기 코일(44)이 상기 각 스테이지(20, 30)의 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)에 결합되도록 일단 및 타단이 90°각도로 하향 절곡되어 있다.
그리고, 상기 코일(44)의 상부에는 극성이 상이한 한쌍의 영구자석(45)을 양측에 각각 적층시켜 전류의 방향을 일방향으로 이동되도록 이루어져 있다.
이 때 상기 코일(44)의 하부 또는 영구자석(45)의 상부에는 제 1요크(42) 및 제 2요크(43)가 각각 적층되어 있어 전류가 원활이 순환되게 구성되어 있다.
이러한 상기 자력발생수단(40)은 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 제 1중앙유닛(21)에 연결되는데, 상기 코일(44)의 일단 및 타단이 90°각도로 하향 절곡되어 있어 제 1중앙유닛(21)의 측면에 끼움결합되고 더불어 상기 코일(44)의 하부에 위치한 제 1요크(42)도 고정된다.
또한, 상기 자력발생수단(40)은 상기 X축방향 이동 스테이지(30)의 제 2중앙유닛(31)의 상부에 연결되며, 이러한 상기 자력발생수단(40)의 코일(44)은 상기 제 2중앙유닛(31)의 측면에 결합되고 더불어 상기 코일(44)의 하부에 위치한 제 1요크(42)도 고정된다.
한편 상기 각 스테이지 별로 코일(44)에 대한 전류인가에 따른 동작관계를 기술하면 다음과 같다.
따라서 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)에 구비된 자력발생수단(40)의 코일(44)에 전류가 인가되면, 상기 제 1요크(42), 코일(44) 및 제 1중앙유닛(21)은 고정되고 제 2요크(43) 및 한쌍의 영구자석(45)이 상대적으로 이동되면서 상기 제 2요크(43)의 상부에 위치하는 상기 시편이송부(50) 및 상기 시편이송부(50)의 연결부재(51)에 결합된 제 1연결유닛(24)이 일체로 Y축방향으로 구동하게 된다.
그리고 상기 X축방향 이동 스테이지(30)의 코일(44)에 전류가 인가되면, 제 2요크(43)는 스테이지 베이스(10)의 제 2홈부(11)에 끼움 결합되어 있기 때문에, 상대적으로 상기 제 1요크(42), 코일(44) 및 상기 코일(44)에 결합된 제 2중앙유닛(31)이 구동하면서 상기 Y축방향 이동 스테이지(20) 전체가 동반 구동하게 되며, 결과적으로 상기 시편이송부(50)가 X축방향으로 구동하게 된다.
이와 같이 상기 각 스테이지 장치(20, 30)는 자속의 방향과 전류가 흐르는 방향에 대해 수직하게 자력이 발생된다는 로렌츠 법칙에 따라 선택적으로 고정되는 부분에 대해 고정되지 않은 부분이 작동하게 되는 자력발생수단(40)의 상대적인 구동원리가 적용된 것으로, 코일(44)과 영구자석(45)의 상호 자기적인 구속으로 X축 또는 Y축 방향의 선택적인 시편이송부(50)의 변위가 가능하다.
제 3실시예에서 설명하기 앞서 X축방향 이동 스테이지 및 X축방향 이동 스테이지가 제 1실시예와 같은 구조로 이루어지므로 간략하게 기술하기로 한다.
도 14는 본 발명의 제 3실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 1분해사시도이고, 도 15는 본 발명의 제 3실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 2분해사시도이고, 도 16은 본 발명의 제 3실시예에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치의 제 3분해사시도이며, 도 17은 본 발명의 제 3실시예에 따른 자력발생수단의 구성도이다.
도 14, 도 15, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치(100)는 고정된 양측을 중심으로 구동되는 부분과 구동하는 부분에 탄성수단으로 연결되어 동일방향으로 구동하는 부분으로 이루어진 동일구조의 X축방향 이동 스테이지(30) 및 Y축방향 이동 스테이지(20)와, 상기 각 스테이지(20, 30)에 구동력을 제공하는 수단으로서 각각 결합되는 자력발생수단(40)을 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 상부에는 시편이송부(50)가 결합되고, 상기 X축방향 이동 스테이지(30)는 용기 형태의 스테이지 베이스(10) 내에 장착되는데, 이 때 상기 각 스테이지(20, 30)는 서로 교차되도록 하여 적층 결합됨으로써, 궁극적으로는 상기 각 자력수단(40)에 선택적으로 전류를 인가하여 상기 시편이송부(50)를 X축 또는 Y축으로 직선 이송시킬 수 있다.
여기서 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)는 앞에서 언급된 자력발생수단(40)이 상부의 제 1중앙유닛(21)에 결합되어 발생되는 자력으로 Y축방향의 이송에 필요한 구동력을 제공받고, 상기 자력발생수단(40)의 상부에는 시편이송부(50)가 위치한다.
여기서, 상기 자력발생수단(40)은 상기 각 자력발생수단(40)은 하부에 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)이 결합되는 제 1요크(42)와, 상기 제 1요크(42)의 측면을 가로질러 위치하며, 타단은 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)과 결합되고 일단은 상이한 극성으로 대치되는 한쌍의 영구자석(45)이 측면에 결합되는 연결바(45)와, 상기 영구자석(45)의 상부에 위치하며, 인가되는 전류로 상기 영구자석(45)의 자속방향에 수직하게 자력을 발생하는 코일(44) 및 상기 코일(44)의 상부에 위치하여 상기 코일(44)과 영구자석(45)의 사이에 상대적인 자력발생이 유도되도록 상기 제 1요크(42)와 더불어 상기 영구자석(45)의 자속을 연계시키는 제 2요크(43)로 이루어져 있다.
아울러, 상기 자력발생수단(40)의 코일(44)은 인가되는 전류가 일방향으로 순환될 수 있도록 사각의 고리형상을 취하고 있으며, 상부에는 제 2요크(43)가 위치하고 하부에는 극성이 상이한 한쌍의 영구자석(45)이 위치하고 있다.
이 때 상기 각 영구자석(45)의 양측면에는 연결바(45)가 높이방향으로 상기 제 1요크(42)의 측면을 가로질러 2쌍으로 하향 설치되어 있다.
이러한 상기 각 연결바(45)는 상기 제 1요크(42)의 측면을 가로질러 타단은 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)의 측면에 결합되고 일단은 상기 각 영구자석(45)의 측면에 결합된다.
한편 상기 각 스테이지 별로 코일(44)에 대한 전류인가에 따른 동작관계를 기술하면 다음과 같다.
상기 Y축방향 이동 스테이지(20)에 구비된 자력발생수단(40)의 코일(44)에 전류가 인가되면, 상기 제 1요크(42), 상기 연결바(45)로 고정된 영구자석(45) 및 제 1중앙유닛(21)은 고정되고 제 2요크(43) 및 코일(44)이 상대적으로 이동되면서 상기 제 2요크(43)의 상부에 위치하는 상기 시편이송부(50) 및 상기시편이송부(50)의 다리에 결합된 제 1연결유닛(24)이 일체로 Y축방향으로 구동하게 된다.
그리고 상기 X축방향 이동 스테이지(30)의 코일(44)에 전류가 인가되면, 제 2요크(43)는 스테이지 베이스(10)의 제 2홈부(11)에 끼움 결합되어 있기 때문에, 상대적으로 상기 제 1요크(42) 및 상기 연결바(45)로 고정된 영구자석(45)과 제 1중앙유닛(21)이 구동하면서 상기 Y축방향 이동 스테이지(20) 전체가 동반 구동하게 되며, 결과적으로 상기 시편이송부(50)가 X축방향으로 구동하게 된다.
이와 같이 상기 스테이지 장치는 자속의 방향과 전류가 흐르는 방향에 대해 수직하게 자력이 발생된다는 로렌츠 법칙에 따라 선택적으로 고정되는 부분에 대해 고정되지 않은 부분이 작동하게 되는 자력발생수단(40)의 상대적인 구동원리가 적용된 것으로, 코일(44)과 영구자석(45)의 상호 자기적인 구속으로 X축 또는 Y축 방향의 선택적인 시편이송부(50)의 변위가 가능하다.
이상에서와 같은 자력발생수단(40)을 이루는 영구자석(45), 코일(44) 및 요크의 위치를 발생되는 자기력에 크기에 따라 각각 위치를 바꾸어 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치에 의하면, 직선스프링, 중앙유닛, 보조유닛 및 자력발생수단이 각각 대칭적이며, 단순하게 배열을 하여 상기 각 스테이지의 하부를 2단 구조로 적층시켜 열적안정성과 운동의 선형성 및 안정성 있게 함으로써 시편의 2축 위치결정을 정밀하게 제어할 수 있는 특징이 있다.
또한, 직선스프링의 사용을 통하여 평면 외의 운동이 거의 발생을 하지 않기 때문에 시편을 측정하는 초정밀 마이크로스코프에서 시편을 싣고서 긴 영역을 XY축으로 정밀하게 움직이는 역할을 수행을 한다.
아울러, 아주 긴 영역을 측정하는 여러 검사 장비에서 조동·미세 구동기로 이루어진 이중 구동기에서의 미세 구동기의 역할을 수행을 할 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.
Claims (7)
- Y축 방향으로 왕복 이동되는 시편이송부(50)가 상부에 장착되도록 상기 시편이송부(50)의 양측에 각각 연결 고정되어 상기 시편이송부(50)와 함께 이동되는 한쌍의 제 1연결유닛(24)과,상기 제 1연결유닛(24)의 사이에 위치하는 제 1중앙유닛(21) 및 상기 제 1중앙유닛(21)의 양측에 축방향으로 평행하도록 각각 구비되는 한쌍의 제 1보조유닛 (23)과,상기 제 1중앙유닛(21)이 연속적으로 관통 고정되고, 상호 병렬로 배치되어 각 양측이 상기 각 제 1보조유닛(23)의 사이에 결합되는 한쌍의 제 1직선스프링 (21a)과.상기 각 제 1직선스프링(21a)을 사이에 두고 대칭되도록 상기 각 제 1보조유닛(23)의 양측에 상호 병렬로 결합되며, 상기 각 제 1연결유닛(24)이 관통 결합되는 한쌍의 제 1보조직선스프링(23a)으로 이루어지는 Y축방향 이동 스테이지(20);X축 방향으로 왕복 이동하는 제 2중앙유닛(31) 및 상기 제 2중앙유닛(31)의 이동방향에 평행하도록 양측에 대칭되게 각각 구비되는 한쌍의 제 2보조유닛(33)와,상기 각 제 2보조유닛(33)의 사이에 상호 병렬로 배치 결합되어 상기 제 1중앙유닛(21)이 연속적으로 관통 결합되는 한쌍의 제 2직선스프링(31a)과,상기 제 2직선스프링(31a)을 사이에 두고 대칭되도록 상기 각 제 2보조유닛(33)의 양측에 상호 병렬로 결합되는 한쌍의 제 2보조직선스프링(33a)과,상기 각 제 2보조직선스프링(33a)의 중앙 부위에 각각 관통 결합되는 한쌍의 제 2연결유닛(34)으로 이루어져 상기 제 1중앙유닛(21)과 상기 제 2중앙유닛(31)이 상호 90°각도로 엇갈리도록 상기 Y축방향 이동 스테이지(20)의 하부에 대응 결합되는 X축방향 이동 스테이지(30);상단이 개봉된 육면체 형태를 취하며, 안측에 각각 결합 고정되는 상기 각 제 2연결유닛(34)으로 상기 X축방향 이동 스테이지(30)가 저면에 안치되는 스테이지 베이스(10);상기 시편이송부(50)가 상기 제 1중앙유닛(21)에 대해 상대적으로 Y축 방향으로 이동되고, 상기 제 2중앙유닛(31)이 상기 제 2연결유닛(34)에 대해 상대적으로 X축방 향으로 이동되도록 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)에 각각 결합되어 상호 대칭을 이루어 자기적인 구속으로 X축 또는 Y축방향의 이동을 선택적으로 강제해 낼 수 있는 한쌍의 자력발생수단(40);을 포함하여 이루어지는 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치에 있어서,상기 각 자력발생수단(40)은 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)을 각각 통체로 가로질러 권취되어 인가되는 전류에 따라 자력을 발생하는 코일(44)과,상기 코일(44)에 대해 자기적으로 대응하여 코일(44)의 자력방향에 수직하게 자속을 발산하는 영구자석(45) 및 상기 영구자석(45)이 안측에 결합 고정되는 요크(41)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 각 자력발생수단(40)은 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)의 양측에 결합되어 인가되는 전류에 따라 자력을 발생하는 코일(44)과,상기 코일(44)의 상부에 결합되어 상기 코일(44)의 자력방향에 수직하게 자속을 발산하도록 상호 일정한 간격을 두고 상이한 극성으로 대치하는 한쌍의 영구자석(45)과,상부는 상기 코일(44)의 하부에 결합되고, 하부는 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛(31)의 상면에 결합되는 제 1요크(42) 및상기 각 영구자석(45)의 상부에 걸쳐 결합되어 상기 영구자석(45)과 코일(44)의 사이에 상대적인 자력발생을 유도하도록 상기 제 1요크(42)와 더불어 상기 각 영구자석(45)의 자속이 연계시키는 제 2요크(43)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 각 자력발생수단(40)은 하부에 상기 제 1중앙유닛(21) 및 제 2중앙유닛 (31)이 결합되는 제 1요크(42)와,상기 제 1요크(42)의 측면을 가로질러 위치하며, 타단은 상기 제 1중앙유닛 (21) 및 제 2중앙유닛(31)과 결합되고 일단은 상호 일정한 간격을 두고 상이한 극성으로 대치하는 한쌍의 영구자석(45)의 측면에 결합되는 연결바(45)와,상기 영구자석(45)의 상부에 위치하며, 인가되는 전류로 상기 영구자석(45)의 자속방향에 수직하게 자력을 발생하는 코일(44) 및상기 코일(44)의 상부에 위치하여 상기 코일(44)과 영구자석(45)의 사이에 상대적인 자력발생이 유도되도록 상기 제 1요크(42)와 더불어 상기 영구자석(45)의 자속을 연계시키는 제 2요크(43)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 Y축방향 이동 스테이지(20)는 상기 X축방향 이동 스테이지(30)에 의해 적층결합되도록 상기 X축방향 이동 스테이지(30)의 제 2중앙유닛(31)의 측부에 높이방향으로 형성된 두쌍의 끼움홈(31b)에 끼워지는 두쌍의 다리(21b)가 상기 제 1중앙유닛(21)의 하부에는 더 형성되는 것을 특징으로 하는 VCM을 이용한 X-Y 정밀구동 스테이지 장치.
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