KR100507840B1 - Dual servo xy stage using leaf spring guide - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로스코프의 정밀 스캐닝 또는 파이버 정렬 등에 관련된 2축 운동을 위한 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 케이스의 내측으로 보조운동부와 판스프링을 대칭으로 배치하여 열적 특성과 안정적 운동을 보장하고 X 스테이지와 Y 스테이지를 같은 평면상에 구성하여 X , Y 방향외에 다른 방향의 기생운동을 방지하도록 하는 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지는 케이스의 내측에 대향하여 설치되는 X축 보조운동부들과; X축 방향에 수직하도록 상기 X축 보조운동부에 대향하여 설치되는 복수의 제1판스프링들과; 상기 X축 방향으로 인접한 내측의 상기 제1판스프링들 사이에 설치되며 내측공간을 갖는 X축 주운동부와; 및 상기 X축 주운동부의 일측에 인접하고 상기 케이스에 일측이 고정되는 상기 제1판스프링에 설치되며 상기 X축 주운동부의 일측에 접촉하는 X축 구동기를 포함하는 X 스테이지; 및 상기 X 스테이지의 X축 주운동부의 내측공간에서 대향하여 설치되는 Y축 보조운동부들과; Y축 방향에 수직하도록 상기 Y축 보조운동부에 대향하여 설치되는 복수의 제2판스프링들과; 상기 Y축 방향으로 인접한 내측의 제2판스프링들 사이에 설치되는 Y축 주운동부와; 및 상기 Y축 주운동부의 일측에 인접하고 상기 X축 주운동부에 일측이 고정되는 상기 제2스프링에 설치되며 상기 Y축 주운동부의 일측에 접촉하는 Y축 구동기를 포함하는 Y 스테이지로 구성된다.The present invention relates to a dual servo XY stage using a leaf spring guide for biaxial movement related to precision scanning or fiber alignment of a microscope, and more particularly, by symmetrically arranging the auxiliary motion portion and the leaf spring inwardly of the case. It relates to a double-servo XY stage using a leaf spring guide that ensures characteristics and stable motion and prevents parasitic motion in other directions besides the X and Y directions by configuring the X stage and the Y stage on the same plane. Dual-servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention and the X-axis auxiliary movement unit which is installed opposite to the inside of the case; A plurality of first leaf springs disposed opposite the X-axis auxiliary movement part so as to be perpendicular to the X-axis direction; An X-axis main movement unit installed between the first plate springs adjacent to each other in the X-axis direction and having an inner space; And an X stage installed in the first plate spring adjacent to one side of the X axis main movement part and fixed to one side of the case and contacting one side of the X axis main movement part. And Y-axis auxiliary movement units installed to face each other in the inner space of the X-axis main movement unit of the X stage. A plurality of second leaf springs disposed opposite the Y-axis auxiliary movement part so as to be perpendicular to the Y-axis direction; A Y-axis main movement unit installed between the inner side second leaf springs adjacent to the Y-axis direction; And a Y stage including a Y-axis driver disposed on the second spring adjacent to one side of the Y-axis main motion part and fixed to one side of the X-axis main motion part, and contacting one side of the Y-axis main motion part.
Description
본 발명은 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 X축 방향 운동을 위한 X 스테이지와 Y축 방향 운동을 위한 Y 스테이지를 동일평면상에 형성하고 각각의 스테이지에 판스프링, 운동부, 보조운동부를 대칭으로 배치함으로써 의도된 운동방향 이외의 기생운동을 방지하여 안정적인 운동을 보장하고 우수한 열적 특성을 갖는 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지에 관한 것이다.The present invention relates to a double-servo XY stage using a leaf spring guide, and more particularly, to form an X stage for the X-axis motion and a Y stage for the Y-axis motion on the same plane and the plate spring on each stage , Symmetrical arrangement of the motor part, the auxiliary motor part to prevent the parasitic movement other than the intended direction of movement to ensure a stable movement and a double-servo XY stage using a leaf spring guide having excellent thermal characteristics.
현미경에서 사용되는 초정밀 스캐닝 스테이지는 대부분 힌지 형태의 유연기구 메커니즘과 PZT를 이용하고 있다. 그러나 일반적으로 PZT는 증폭구조를 사용하더라도 구동범위가 수십 ㎛ 이상을 넘어서기 어렵다. 따라서, 수 ㎜이상의 영역을 ㎚ 분해능으로 구동할 수 있는 스테이지는 단일서보로 구현하기 힘들므로 주로 이중서보를 사용하여 구현한다. 하지만 이들 스테이지들도 대부분 반도체 공정 등에서 적용될 수 있는 수백㎜ 구동범위의 대형 스테이지를 목적으로 하기 때문에, 수㎜정도를 움직이기에는 구조가 너무 커지고 복잡해지는 문제점이 있었다. Most high-precision scanning stages used in microscopes use hinge-type flexible mechanism and PZT. In general, however, the driving range of PZT is hard to exceed several tens of micrometers even when an amplifying structure is used. Therefore, a stage capable of driving an area of several mm or more with a nm resolution is difficult to implement as a single servo, and thus mainly implemented using a double servo. However, since these stages are also aimed at large stages with a driving range of several hundred millimeters that can be applied in most semiconductor processes, the structure is too large and complicated to move several millimeters.
이러한 이중서보 스테이지로는 조동구동기로서 리니어 모터와 리니어 가이드 또는 공기베어링 가이드를 이용하고 미세구동기는 PZT와 유연기구 가이드를 이용하는 것이 일반적이다. 이 경우 2개의 구동기와 2개의 가이드 수단을 필요로 하여 구조가 복잡해지고 그 결과 이중서보 스테이지의 구현이 곤란해진다. As the dual servo stage, a linear motor, a linear guide, or an air bearing guide is used as a coarse driver, and a microdriver uses a PZT and a flexible device guide. In this case, two drivers and two guide means are required, which makes the structure complicated and consequently makes it difficult to implement the double servo stage.
또한, 공기베어링 가이드를 이용하는 경우에는 운동방향 이외의 수직변위가 발생하기 때문에 이를 보정하기 위해 추가로 구동기를 설치해야 하고 이는 스테이지의 구조를 더욱 복잡하게 한다. 또한, 리니어 모터로부터 발생하는 열에 의해 스테이지의 구동의 정밀도가 저하되는 문제가 있었다.In addition, in the case of using the air bearing guide, since a vertical displacement other than the direction of movement occurs, an additional driver must be installed to compensate for this, which further complicates the structure of the stage. Moreover, there existed a problem that the precision of driving of a stage falls by the heat which generate | occur | produces from a linear motor.
이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 단일서보로 구동되는 초정밀 스테이지가 소개되고 있다.To solve these problems, an ultra-precision stage driven by a single servo is introduced.
도 8은 종래의 VCM을 이용한 단일서보 스테이지를 나타낸 분해사시도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 종래의 VCM(voice coil motor)을 이용한 단일서보 스테이지(80)는 축방향 운동과 Y축 방향 운동을 판스프링(83, 85)에 의해 안내되는 각각의 VCM(90)으로 구동하며 X축 운동은 VCM(90)의 코일의 운동을 추종하고, Y축 운동은 VCM(90)의 마그네트 요크 결합체의 운동을 추종하는 것으로서, X축 운동을 위한 X 스테이지(82)가 밑에 형성되고 그 위에 Y축 운동을 위한 시편대(91)가 장착된 Y 스테이지(84)가 적층하여 형성되는 구조이다.8 is an exploded perspective view showing a single servo stage using a conventional VCM. As shown in FIG. 8, the single servo stage 80 using the conventional voice coil motor (VCM) has each VCM 90 guided by the leaf springs 83 and 85 for axial movement and Y-axis movement. X-axis motion follows the movement of the coil of the VCM (90), Y-axis motion follows the motion of the magnet yoke assembly of the VCM (90), the X stage 82 for the X-axis motion It is a structure formed by stacking the Y stage 84 formed below and mounted on the specimen stage 91 for the Y-axis movement thereon.
이러한 종래의 VCM을 이용한 단일서보 스테이지는 단일서보로서 VCM을 채택함으로써 구조는 단순해졌지만 VCM의 코일에서 발생하는 열에 대한 문제점은 여전히 존재한다.The conventional single servo stage using the VCM is simplified by adopting the VCM as a single servo, but there is still a problem with the heat generated in the coil of the VCM.
또한, 각 축방향 스테이지를 적층형으로 배치하였기 때문에 구동기의 질량중심이 한 평면상에 존재하지 않아 피치(pitch)와 롤(roll)모션이 발생되는 문제점이 있다.In addition, since the axial stages are arranged in a stack, the center of mass of the driver does not exist on one plane, causing a pitch and a roll motion.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 구조의 복잡성을 피하기 위해 가이드 메커니즘을 단일한 판스프링 가이드로 구현하고, 판스프링을 대칭으로 배치하여 열적 특성과 안정적 운동을 보장하고 각 축방향 스테이지를 동일 평면상에 형성하여 피치와 롤 모션의 발생을 방지하도록 하는 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, an object of the present invention is to implement a guide mechanism as a single leaf spring guide in order to avoid the complexity of the structure, by placing the leaf springs symmetrically and thermal properties and It is to provide a double-servo XY stage using a leaf spring guide to ensure a stable movement and to form each axial stage on the same plane to prevent the occurrence of pitch and roll motion.
상기한 본 발명의 목적은 케이스의 내측에 대향하여 설치되는 X축 보조운동부들과; X축 방향에 수직하도록 상기 X축 보조운동부에 대향하여 설치되는 복수의 제1판스프링들과; 상기 X축 방향으로 인접한 내측의 상기 제1판스프링들 사이에 설치되며 내측공간을 갖는 X축 주운동부와; 및 상기 X축 주운동부의 일측에 인접하고 상기 케이스에 일측이 고정되는 상기 제1판스프링에 설치되며 상기 X축 주운동부의 일측에 접촉하는 X축 구동기를 포함하는 X 스테이지; 및 상기 X 스테이지의 X축 주운동부의 내측공간에서 대향하여 설치되는 Y축 보조운동부들과; Y축 방향에 수직하도록 상기 Y축 보조운동부에 대향하여 설치되는 복수의 제2판스프링들과; 상기 Y축 방향으로 인접한 내측의 제2판스프링들 사이에 설치되는 Y축 주운동부와; 및 상기 Y축 주운동부의 일측에 인접하고 상기 X축 주운동부에 일측이 고정되는 상기 제2판스프링에 설치되며 상기 Y축 주운동부의 일측에 접촉하는 Y축 구동기를 포함하는 Y 스테이지로 구성되는 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지에 의해 달성될 수 있다.An object of the present invention described above and the X-axis auxiliary movement unit which is installed opposite the inside of the case; A plurality of first leaf springs disposed opposite the X-axis auxiliary movement part so as to be perpendicular to the X-axis direction; An X-axis main movement unit installed between the first plate springs adjacent to each other in the X-axis direction and having an inner space; And an X stage installed in the first plate spring adjacent to one side of the X axis main movement part and fixed to one side of the case and contacting one side of the X axis main movement part. And Y-axis auxiliary movement units installed to face each other in the inner space of the X-axis main movement unit of the X stage. A plurality of second leaf springs disposed opposite the Y-axis auxiliary movement part so as to be perpendicular to the Y-axis direction; A Y-axis main movement unit installed between the inner side second leaf springs adjacent to the Y-axis direction; And a Y stage including a Y-axis driver disposed on the second plate spring adjacent to one side of the Y-axis main motion part and fixed to one side of the X-axis main motion part, and contacting one side of the Y-axis main motion part. It can be achieved by a double servo XY stage using a leaf spring guide.
상기 목적을 달성하기 위해 상기 X축 주운동부의 타측에는 상기 X축 주운동부와 접촉하는 제1예압스프링이 설치되고, 상기 Y축 주운동부의 타측에는 상기 Y축 주운동부와 접촉하는 제2예압스프링이 설치되는 것이 바람직하다.In order to achieve the above object, a first preload spring is installed on the other side of the main shaft of the X axis to contact the main axis of the X axis, and a second preload spring is in contact with the main axis of the Y axis of the other axis of the Y axis. It is preferable to be installed.
상기 목적을 달성하기 위해, 상기 제1 및 제2예압스프링의 강성은 상기 제1 및 제2판스프링의 강성의 1/10이하인 것이 바람직하다.In order to achieve the above object, it is preferable that the stiffness of the first and second preload springs is less than 1/10 of the stiffness of the first and second leaf springs.
상기 목적을 달성하기 위해, 상기 X축 또는 Y축 구동기는 일측에 PZT가 결합된 DC모터 리니어 액츄에이터로 구성되는 것이 바람직하다.In order to achieve the above object, the X-axis or Y-axis driver is preferably composed of a DC motor linear actuator coupled to the PZT on one side.
상기 목적을 달성하기 위해, 상기 PZT의 일단에는 상기 X축 또는 Y축 주운동부와 접촉하는 볼 커플링이 설치되는 것이 바람직하다.In order to achieve the above object, one end of the PZT is preferably provided with a ball coupling in contact with the X-axis or Y-axis main movement.
본 발명의 그밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.Other objects, specific advantages and novel features of the invention will become more apparent from the following detailed description and the preferred embodiments associated with the accompanying drawings.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a configuration of a dual servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지의 구성을 나타낸 사시도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지는 케이스(1)의 내측으로 X축 보조운동부(11), X축 주운동부(20)와 제1판스프링(16) 및 X축 구동기(40)를 포함하는 X 스테이지(10)가 설치되고, X축 주운동부(20)에 Y축 보조운동부(51), Y축 주운동부(57)와 제2판스프링(56) 및 Y축 구동기(70)를 포함하는 Y 스테이지(50)가 X 스테이지(10)와 90°를 이루면서 배치되고, 케이스(1)는 중앙이 관통된 커버(2)로 덮혀 있다. 1 is a perspective view showing a double servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view showing a configuration of a double servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention to be. As shown in Figure 1 and 2, the dual servo XY stage using the leaf spring guide according to the present invention is the X-axis auxiliary movement portion 11, the X-axis main movement portion 20 and the first inward of the case (1) An X stage 10 including a leaf spring 16 and an X axis driver 40 is installed, and the Y axis auxiliary motion part 51, the Y axis main motion part 57, and the second axis are installed on the X axis main motion part 20. The Y stage 50 including the leaf spring 56 and the Y axis driver 70 is disposed at 90 ° with the X stage 10, and the case 1 is covered with a cover 2 penetrating the center thereof. .
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지를 구성하는 X 스테이지를 나타낸 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중서보 XY 스테이지를 구성하는 X 스테이지(10)는 사각의 내부공간을 갖는 케이스(1)의 내측에 2개의 X축 보조운동부(11)가 대칭으로 설치된다. X축 보조운동부(11)에는 4개의 제1판스프링(16)이 결합되고, 각각의 X축 보조운동부(11)에 결합된 제1판스프링(16)들은 상호 대칭을 이룬다.3 is a perspective view showing an X stage constituting a double-servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, in the X stage 10 constituting the dual-servo XY stage according to the present invention, two X-axis auxiliary motion parts 11 are symmetrically inside the case 1 having a rectangular inner space. Is installed. Four first plate springs 16 are coupled to the X-axis auxiliary movement unit 11, and the first plate springs 16 coupled to the respective X-axis auxiliary movement units 11 are symmetric with each other.
내측에 위치하는 4개의 제1판스프링(16)들 사이에는 상부가 열려있고 내측공간(21)을 갖는 사각박스형의 X축 주운동부(20)가 설치된다. X축 주운동부(20)는 외측으로 제1판스프링(16)과 결합하기 위해 제1판스프링(16)들이 연장되는 부분에 외측돌출부(22)를 구비하고 내측면에 Y 스테이지(50)의 설치를 위한 내측돌출부(23)가 구비되며 내측돌출부(23)의 하나에는 관통공이 형성되고, 각 X축 주운동부(20)의 외측돌출부(22)에는 제1판스프링(16)의 단부가 맞물리도록 고정블록(30, 33)이 결합된다.Between the four first leaf springs 16 located inside the X-axis main movement portion 20 of the rectangular box type having an upper portion and having an inner space 21 is installed. The X axis main motion part 20 has an outer protrusion 22 at a portion where the first leaf springs 16 extend to engage the first leaf spring 16 to the outside and the Y stage 50 on the inner side thereof. An inner protrusion 23 is provided for installation, and a through hole is formed in one of the inner protrusions 23, and an end of the first leaf spring 16 is engaged with the outer protrusion 22 of each of the X-axis main motion parts 20. Fixed blocks 30 and 33 are coupled to each other.
가장 좌측에 위치하는 제1판스프링(16)들의 단부는 2개의 고정블록(31, 32)들의 사이에 맞물려지고, 외측의 고정블록(32)은 케이스(1)에 고정되며, 내측의 고정블록(31)과 인접한 X축 주운동부(20)의 고정블록(30)의 사이에는 코일스프링인 제1예압스프링(37)이 설치된다. 직선운동의 방향을 기준으로 하는 제1예압스프링(37)의 강성은 제1판스프링(16)의 강성의 1/10이하인 것이 바람직하다. The ends of the first leaf springs 16 located at the leftmost side are engaged between the two fixing blocks 31 and 32, and the outer fixing block 32 is fixed to the case 1, and the inner fixing block is fixed to the case 1. A first preload spring 37, which is a coil spring, is installed between the 31 and the fixed block 30 of the main X-axis main motion unit 20. It is preferable that the rigidity of the first preload spring 37 based on the direction of the linear motion is 1/10 or less of the rigidity of the first leaf spring 16.
가장 우측에 위치하는 제1판스프링(16)들의 단부는 역시 2개의 고정블록(34, 35)들의 사이에 맞물려지고, 외측의 고정블록(35)은 케이스(1)에 고정된다. 이 고정블록(34, 35)들은 중앙에 관통부(미도시)가 형성되고, 관통부에는 X축 구동기(40)가 관통되어 설치된다. The ends of the first leaf springs 16 located at the far right are also engaged between the two fixing blocks 34 and 35, and the outer fixing block 35 is fixed to the case 1. The fixing blocks 34 and 35 have a through portion (not shown) formed in the center thereof, and the X-axis driver 40 penetrates the through portion.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지를 구성하는 Y 스테이지를 나타낸 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중서보 XY 스테이지를 구성하는 Y 스테이지(50)는 X축 주운동부(20)의 내측공간에 2개의 Y축 보조운동부(51)가 설치된다. Y축 보조운동부(51)에는 4개의 제2판스프링(56)이 결합되고, 각각의 Y축 보조운동부(51)에 결합된 제2판스프링(56)들은 상호 대칭되게 배치된다. 4 is a perspective view showing a Y stage constituting a double-servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, in the Y stage 50 constituting the dual-servo XY stage according to the present invention, two Y-axis auxiliary movement parts 51 are installed in the inner space of the X-axis main motion part 20. Four second plate springs 56 are coupled to the Y-axis auxiliary movement unit 51, and the second plate springs 56 coupled to each of the Y-axis auxiliary movement units 51 are disposed symmetrically with each other.
내측에 위치하는 4개의 제2판스프링(56)들 사이에는 상부에 시편대 등의 장착을 위한 장착공(58)이 형성된 Y축 주운동부(57)가 설치된다. Y축 주운동부(57)의 외측면에는 제2판스프링(56)의 단부가 포개어지고 고정블록(60, 63)이 결합된다.Between the two second plate springs 56 located inside, a Y-axis main movement part 57 having a mounting hole 58 for mounting a specimen stand or the like is installed thereon. The end of the second leaf spring 56 is superimposed on the outer surface of the Y-axis main motion portion 57 and the fixing blocks 60 and 63 are coupled.
가장 위쪽에 위치하는 제2판스프링(56)들의 단부는 2개의 고정블록(61, 62)들의 사이에 맞물려지고, 이 중 상부의 고정블록(62)은 케이스(1)에 고정되며, 하부의 고정블록(61)과 인접한 Y축 주운동부(57)의 고정블록(60)의 사이에는 코일스프링인 제2예압스프링(67)이 설치된다. The upper ends of the second leaf springs 56 located between the two fixing blocks 61 and 62 are engaged, and the upper fixing block 62 is fixed to the case 1, A second preload spring 67, which is a coil spring, is installed between the fixed block 61 and the fixed block 60 of the adjacent Y-axis main motion 57.
가장 아래쪽에 위치하는 제2판스프링(56)들의 단부는 역시 2개의 고정블록(64, 65)들의 사이에 맞물려지고, 이 중 하부의 고정블록(65)은 케이스(1)에 고정된다. 이 고정블록들(64, 65)은 중앙에 관통부(미도시)가 형성되고, 관통부에는 Y축 구동기(70)가 관통되어 설치된다. The lower ends of the second leaf springs 56 are also engaged between the two fixing blocks 64 and 65, of which the lower fixing block 65 is fixed to the case 1. The fixing blocks 64 and 65 have a through portion (not shown) formed in the center thereof, and a Y-axis driver 70 penetrates the through portion.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지의 판스프링의 결합구조를 나타낸 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중서보 XY 스테이지의 판스프링(16)은 보조운동부(11)의 죔쇠(13)에 삽입되어 고정되며, 보조운동부(11)에서 노출되는 부분에 발생하는 응력집중을 완화하기 위해 죔쇠(13)의 모서리는 모따기처리가 되어 있다. 이러한 판스프링의 결합구조는 X 스테이지와 Y 스테이지에서 동일하다.5 is a perspective view showing the coupling structure of the leaf spring of the dual-servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the leaf spring 16 of the dual-servo XY stage according to the present invention is inserted into and fixed to the clamp 13 of the auxiliary movement part 11, and occurs in a portion exposed from the auxiliary movement part 11. The edge of the clamp 13 is chamfered to relieve stress concentration. The coupling structure of this leaf spring is the same in the X stage and the Y stage.
본 발명에 따른 이중서보 XY 스테이지에 사용되는 X축 구동기(40)와 Y축 구동기(70)는 동일한 구성이므로 이하에서는 X축 구동기(40)만을 설명하기로 한다.Since the X-axis driver 40 and the Y-axis driver 70 used in the dual-servo XY stage according to the present invention have the same configuration, only the X-axis driver 40 will be described below.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지의 구동기를 나타낸 사시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중서보 XY 스테이지에 사용되는 X축 구동기(40)는 고정블록의 관통부에 고정되는 구동기본체(41), 구동기본체(41)에 설치되고 회전운동을 직선운동으로 변환하는 DC모터 리니어 액츄에이터(42) 및 PZT(43)가 결합된 것이다. PZT(43)는 구동기본체에서 노출된 DC모터 리니어 액츄에이터(42)의 끝단에 부착되며, PZT(43)의 끝에는 X축 주운동부(20)에 설치된 고정블록과 접촉하는 볼 커플링(44)이 설치된다. DC모터 리니어 액츄에이터(42)는 수㎜정도의 직선운동을 PZT(43)는 수십㎛정도의 직선운동을 구동하게 된다. Figure 6 is a perspective view showing the driver of the dual servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the X-axis driver 40 used in the dual-servo XY stage according to the present invention is installed in the driving main body 41 and the driving main body 41 fixed to the penetrating portion of the fixed block and rotates. The DC motor linear actuator 42 and the PZT 43 for converting the linear motion into a combination are combined. The PZT 43 is attached to the end of the DC motor linear actuator 42 exposed from the driving body, and at the end of the PZT 43 there is a ball coupling 44 in contact with the fixed block installed in the X-axis main movement part 20. Is installed. The DC motor linear actuator 42 drives the linear motion of about several millimeters and the PZT 43 drives the linear motion of several tens of micrometers.
이하에서는 상기한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지의 작용에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the operation of the dual servo XY stage using the leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention having the above configuration will be described in detail.
본 발명에 따른 이중서보 XY 스테이지는 X축 운동을 위한 X 스테이지(10)와 Y축 운동을 위한 Y 스테이지(50)가 동일평면상에서 결합된 것이고, 각각의 스테이지는 독립된 구동기를 갖기 때문에 하나의 축방향의 운동은 다른 축방향의 운동에 영향을 미치지 않는다. 다만 이중서보 XY 스테이지가 의도하는 최종적인 운동은 Y축 주운동부(57)에 의해 이루어진다.In the dual-servo XY stage according to the present invention, the X stage 10 for the X-axis movement and the Y stage 50 for the Y-axis movement are combined on the same plane, and each stage has one axis because it has an independent driver. The motion in the direction does not affect the motion in the other axial direction. However, the final motion intended by the dual servo XY stage is made by the Y-axis main motion part 57.
Y 스테이지(50)가 X 스테이지(10)의 X축 주운동부(20)에 설치되기 때문에, Y축 주운동부(57)의 X축 운동은 Y 스테이지(50)가 설치된 X 스테이지(10)의 X축 주운동부(20)에 의해 이루어지고, Y축 주운동부(57)의 Y축 운동은 Y 스테이지(50)의 Y축 주운동부(57)에 의해 이루어진다.Since the Y stage 50 is installed in the X axis main motion part 20 of the X stage 10, the X axis motion of the Y axis main motion part 57 is X of the X stage 10 in which the Y stage 50 is installed. It is made by the axial main motion portion 20, the Y-axis motion of the Y-axis main motion portion 57 is made by the Y-axis main motion portion 57 of the Y stage (50).
각 스테이지가 판스프링 가이드가 개재된 축방향운동의 원리는 동일하며 구체적으로는 다음과 같다.The principle of the axial motion in which each stage is interposed with the leaf spring guide is the same and specifically, as follows.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지의 판스프링의 작동원리를 나타낸 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중서보 XY 스테이지의 각각의 스테이지는 8개의 판스프링(16a, 16b, 16c, 16d)과 2개의 보조운동부(11) 및 1개의 주운동부(20)로 구성된다. Figure 7 is a schematic diagram showing the operating principle of the leaf spring of the dual-servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, each stage of the dual-servo XY stage according to the present invention has eight leaf springs 16a, 16b, 16c, and 16d, two auxiliary motion parts 11, and one main motion part 20. It consists of.
예압스프링(37)은 이동이 가능한 주운동부(20)와 고정단에 해당하는 고정블록(31)의 사이에 설치되여 양자를 밀어내기 때문에, 주운동부(20)와 보조운동부(11)를 연결하는 판스프링(16b, 16c)은 주운동부(20)에 연결된 부분이 예압스프링(37)에서 멀어지는 방향인 왼쪽으로 변형하게 된다. 그리고 주운동부(20)와 보조운동부(11)를 연결하는 판스프링(16b, 16c)이 보조운동부(11)를 왼쪽으로 끌어당기게 되므로 보조운동부(11)와 고정블록(31, 34)을 연결하는 판스프링(16a, 16d)은 보조운동부(11)와 연결된 부분이 왼쪽으로 변형하게 된다. 따라서 예압스프링(37)이 설치된 경우의 주운동부(20)의 초기위치는 왼쪽으로 소정값만큼 이동하게 된다.The preload spring 37 is installed between the movable main motion portion 20 and the fixed block 31 corresponding to the fixed end to push both, thereby connecting the main motion part 20 and the auxiliary motion part 11. The leaf springs 16b and 16c are deformed to the left in a direction away from the preload spring 37 where the portion connected to the main motion part 20 is located. And the leaf springs (16b, 16c) connecting the main motion portion 20 and the auxiliary motion portion 11 is to pull the auxiliary motion portion 11 to the left, thereby connecting the auxiliary motion portion 11 and the fixed block (31, 34) Leaf springs (16a, 16d) is a portion connected to the auxiliary movement portion 11 is deformed to the left. Therefore, the initial position of the main motion portion 20 when the preload spring 37 is installed is moved to the left by a predetermined value.
이는 일정한 변형량을 벗어나지 않으면서도 판스프링의 구동범위를 크게 확장하는 결과를 가져온다. 예를 들면, 주운동부의 초기위치가 "0"인 경우에는 "d"의 변위를 생성하기 위해서 판스프링을 "d"만큼 변형시켜야 하지만, 주운동부의 초기위치가 "-d/2"로 변경되어 있는 경우에는 "d"의 변위를 생성하기 위해 "d/2"만큼 변형하면 같은 변위량을 발생시키므로 판스프링에 주는 부담이 줄어들게 된다.This results in greatly extending the driving range of the leaf spring without departing from a certain amount of deformation. For example, if the initial position of the main motion portion is "0", the leaf spring must be deformed by "d" to generate the displacement of "d", but the initial position of the main motion portion is changed to "-d / 2". In this case, the deformation of "d / 2" to generate the displacement of "d" generates the same displacement amount, thereby reducing the burden on the leaf spring.
따라서 예압스프링을 설치하여 판스프링의 초기위치를 변경시켜줌으로써 판스프링의 전체 변형량을 감소시켜 스테이지 전체가 우수한 동특성과 응력특성을 얻게 된다.Therefore, by installing the preload spring to change the initial position of the leaf spring to reduce the total amount of deformation of the leaf spring to obtain excellent dynamic characteristics and stress characteristics throughout the stage.
그러나, 판스프링도 탄성변형을 하기 때문에 예압스프링의 강성이 판스프링의 강성과 비교하여 클 때에는 판스프링이 정확한 직선운동을 안내하지 못하게 되므로, 본 발명은 예압스프링의 강성을 판스프링의 강성의 1/10이하로 설정하여 정확한 직선운동을 생성하도록 하였다.However, since the leaf spring also elastically deforms, when the stiffness of the preload spring is large compared with the stiffness of the leaf spring, the leaf spring does not guide the accurate linear motion. It is set to less than / 10 to generate accurate linear motion.
본 발명은 각 스테이지에 판스프링을 대칭으로 형성하였기 때문에, 판스프링에 수직방향은 판스프링의 강성이 작고 수평방향은 강성이 매우 크게 되어 의도하지 않은 방향으로의 기생운동이 거의 발생하지 않는다. 또한 열에 의한 변형이 있을 경우에도 열변형이 대칭구조에 의해 서로간 상쇄되므로 운동에 좋지 않은 영향을 미치는 것이 방지된다.Since the leaf springs are symmetrically formed in each stage, the rigidity of the leaf spring is small in the direction perpendicular to the leaf spring, and the rigidity of the leaf spring is very large in the horizontal direction, so that parasitic motion in an unintended direction hardly occurs. In addition, even when there is a deformation due to heat, heat deformation is canceled from each other by a symmetrical structure, thereby preventing adverse effects on movement.
그러나, 방향에 따른 판스프링의 강성은 판스프링의 두께, 길이, 폭 등의 선정에 의해 변화될 수 있으므로 설계의 목적에 따라 적정한 값을 선택할 수 있다.However, since the rigidity of the leaf spring according to the direction can be changed by the selection of the thickness, length, width, etc. of the leaf spring, an appropriate value can be selected according to the purpose of the design.
구동기와 고정블록이 기계적으로 고정되어 구동력을 전달하는 경우에는 상호간의 정렬에 어긋남이 있을 때에 의도하지 않은 방향의 운동을 유발할 수 있으므로, 본 발명에서는 정렬의 어긋남이 있어도 볼 커플링(44)을 통해 고정블록에 수직한 방향으로 구동력을 전달하므로 의도하지 않은 방향의 운동을 방지하게 된다.When the driver and the fixing block are mechanically fixed to transmit the driving force, they may cause an unintentional movement when there is a misalignment between them. In the present invention, even if there is a misalignment, the ball coupling 44 The driving force is transmitted in a direction perpendicular to the fixed block, thereby preventing movement in an unintended direction.
판스프링이 삽입된 보조운동부의 죔쇠부분은 모따기처리가 되었기 때문에, 판스프링에 대한 응력집중 현상이 완화된다.Since the clamp portion of the auxiliary motion portion into which the leaf spring is inserted is chamfered, the stress concentration phenomenon on the leaf spring is alleviated.
본 발명의 이중서보 XY 스테이지는 축방향 운동의 안내가 미끄럼 가이드가 아닌 판스프링을 이용한 가이드구조를 적용하였으므로, 마찰에 의한 발열 등의 문제점을 해결하였다.In the dual-servo XY stage of the present invention, the guide structure using the leaf spring instead of the sliding guide guides the axial motion, thereby solving problems such as heat generation due to friction.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 나타내지 않았지만, 본 발명은 이에 한하지 않고, DC 모터 리니어 액츄에이터에 변위를 감지하는 센서인 엔코더를 설치하고 운동부의 정확한 변위량은 리니어 스케일이나 레이져 인터페로미터 센서를 통해 측정하여 이중서보 귀환제어에 이용할 수 있다.Although not shown in the preferred embodiment of the present invention, the present invention is not limited to this, and the DC motor linear actuator is provided with an encoder which is a sensor for detecting displacement, and the exact displacement of the moving part is measured by a linear scale or a laser interferometer sensor. Can be used for dual servo feedback control.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 특정하지 않았으나, Y축 구동기(70)가 관통하는 케이스(1)에 형성된 구멍은 Y축 구동기(70)가 Y 스테이지(50)를 따라 X축 방향의 운동을 하는 것을 고려하여 약간 여유있게 형성되는 것이 당연하다.Although not specified in the preferred embodiment of the present invention, the hole formed in the case 1 through which the Y-axis driver 70 penetrates the Y-axis driver 70 in the X-axis direction along the Y stage 50. It is natural to form slightly in consideration.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지에 따르면, 가이드 역할을 하는 판스프링과 보조운동부 및 주운동부가 대칭으로 배치되어 있기 때문에 열적 변형이 상쇄되는 등의 열적 특성이 우수하고, 판스프링이 일방향을 제외하고는 강성이 매우 크게 되어 거의 1자유도 운동을 생성하기 때문에 의도하지 않은 기생운동이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.According to the dual-servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention having the above-described configuration, the thermal deformation is canceled out because the leaf spring and the auxiliary motion portion and the main motion portion serving as a guide are symmetrically arranged. Since the thermal properties of, and the leaf spring is very stiff except for one direction to generate almost one degree of freedom movement, there is an effect that can prevent the unintentional parasitic movement occurs.
본 발명의 이중서보 XY 스테이지는 X 스테이지와 Y 스테이지를 동일한 평면상에 형성하였기 때문에, 각각의 스테이지의 무게 중심이 동일한 평면상에 위치하게 되어 피치와 롤 모션이 발생하는 것을 방지할 수 있다. Since the double-servo XY stage of the present invention has formed the X stage and the Y stage on the same plane, the center of gravity of each stage is located on the same plane, so that pitch and roll motion can be prevented from occurring.
구동기는 볼 커플링을 통해서 주운동부의 고정블록에 접촉하므로 구동기와 고정블록의 정렬에 약간의 어긋남이 있어도 힘의 방향을 거의 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다. Since the driver contacts the fixed block of the main motion part through the ball coupling, there is an effect that the direction of the force can be maintained almost constant even if there is a slight deviation in the alignment between the driver and the fixed block.
본 발명인 이중서보 XY 스테이지는 미는 힘에 의한 구동을 하는 것이므로 판스프링을 끌어당겨서 변형시키지는 못하는데, 예압스프링을 사용하여 구동기의 방향으로 판스프링의 초기위치를 변경하였기 때문에, 판스프링의 변형량을 일정하게 하면서도 운동량을 2배로 할 수 있는 효과가 있다.Since the double servo XY stage of the present invention is driven by a pushing force, the leaf spring cannot be pulled and deformed. However, since the initial position of the leaf spring is changed in the direction of the driver using the preload spring, the deformation amount of the leaf spring is constant. Yet double the amount of exercise is effective.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will cover such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지를 나타낸 사시도,1 is a perspective view showing a dual servo XY stage using a leaf spring guide according to an embodiment of the present invention,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지의 내부를 나타낸 사시도,Figure 2 is a perspective view showing the inside of the dual servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지를 구성하는 X 스테이지를 나타낸 사시도,3 is a perspective view showing an X stage constituting a double-servo XY stage using a leaf spring guide according to an embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지를 구성하는 Y 스테이지를 나타낸 사시도,4 is a perspective view showing a Y stage constituting a double-servo XY stage using a leaf spring guide according to an embodiment of the present invention,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지의 판스프링의 결합구조를 나타낸 사시도,5 is a perspective view showing the coupling structure of the leaf spring of the dual-servo XY stage using a leaf spring guide according to an embodiment of the present invention,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지의 구동기를 나타낸 사시도,Figure 6 is a perspective view showing the driver of the dual servo XY stage using a leaf spring guide according to an embodiment of the present invention,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판스프링 가이드를 이용한 이중서보 XY 스테이지의 판스프링의 작동원리를 나타낸 개략도,7 is a schematic view showing the operation principle of the leaf spring of the dual-servo XY stage using a leaf spring guide according to a preferred embodiment of the present invention,
도 8은 종래의 VCM을 이용한 단일서보 스테이지를 나타낸 분해사시도이다.8 is an exploded perspective view showing a single servo stage using a conventional VCM.
* 주요 도면 부호의 설명 *Explanation of the Main References
1: 케이스 2: 커버1: case 2: cover
10: X 스테이지 11: X축 보조운동부10: X stage 11: X axis auxiliary motion part
16: 제1판스프링 20: X축 주운동부16: 1st leaf spring 20: X axis main motion part
37: 제1예압스프링 40: X축 구동기37: First preload spring 40: X-axis driver
50: Y 스테이지 51: Y축 보조운동부50: Y stage 51: Y axis auxiliary motion part
56: 제2판스프링 57: Y축 주운동부56: 2nd leaf spring 57: Y axis main motion part
67: 제2예압스프링 70: Y축 구동기67: second preload spring 70: Y-axis actuator
Claims (5)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101266285B1 (en) * | 2011-04-01 | 2013-05-23 | 경성오토비스 주식회사 | Linear Moving Apparatus and Cleaning Apparatus having the same |
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2003
- 2003-10-22 KR KR10-2003-0073681A patent/KR100507840B1/en not_active IP Right Cessation
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|---|---|---|---|---|
| KR101266285B1 (en) * | 2011-04-01 | 2013-05-23 | 경성오토비스 주식회사 | Linear Moving Apparatus and Cleaning Apparatus having the same |
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