KR100541849B1 - High speed, Ultraprecision and long displacement stage - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유연힌지 구조물과 압전 스택 구동기를 결합시켜 시편을 XY축으로 초정밀 초고속으로 이송하는 장치로서 Y축 방향 유연힌지 구조물을 X축 방향 힌지 구조물 내부에 두어서 높은 속도에서 생길 수 있는 X축과 Y축 간 상호 간섭에 의한 위치 결정 에러를 최소화하고 각 축 방향으로 지렛대 원리를 이용한 증폭 구조 설계로 인해 최대한 변위를 크게 함으로써 작은 변위를 가진 압전 구동기의 단점을 보완한 초고속 초정밀 대변위 정밀 스테이지에 관한 것이다.The present invention is a device that transfers the specimen to the XY axis at ultra high speed by combining the flexible hinge structure and the piezoelectric stack driver, and the Y-axis flexible hinge structure is placed inside the X-axis hinge structure, Ultra-fast, high-precision large displacement precision stage that minimizes positioning errors due to mutual interference between Y axes and maximizes displacement by amplifying structure design using lever principle in each axis direction, which makes up for the disadvantage of piezoelectric actuator with small displacement will be.
이를 위한 본 발명은, 원자 현미경을 위하여 시편을 XY축으로 이송하는 스테이지에 있어서, 상기 스테이지의 몸체를 형성하며, 유연성의 단위체로 이루어지고, 비대칭 구조의 X방향 스테이지와 Y방향 스테이지로 구분되어 형성되는 유연 힌지 구조물; 압전소자가 적층된 형태로 상기 유연 힌지 구조물에 설치되며, 전압이 인가될 때 X방향으로 변형을 일으키는 X축 방향 압전 구동기; 압전소자가 적층된 형태로 상기 유연 힌지 구조물에 설치되며, 전압이 인가될 때 Y방향으로 변형을 일으키는 Y축 방향 압전 구동기; 및 상기 시편이 탑재되는 시편 탑재 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention for this purpose, in the stage for transporting the specimen in the XY axis for the atomic microscope, forming the body of the stage, made of a flexible unit, divided into an asymmetric structure of the X-direction stage and the Y-direction stage Flexible hinge structure; A piezoelectric element in which the piezoelectric elements are installed in the flexible hinge structure in a stacked form and cause deformation in the X direction when a voltage is applied; Piezoelectric elements are stacked on the flexible hinge structure in the form of a piezoelectric element, the Y-axis direction piezoelectric driver for causing deformation in the Y direction when a voltage is applied; And a specimen mounting member on which the specimen is mounted.
Description
도 1은 본 발명에 따른 원자 현미경을 위한 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 구성도. 1 is a block diagram of an ultrafast ultra-precision large displacement stage for an atomic microscope according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 중요 부위로서 유연 힌지 증폭 메커니즘과 유연힌지 가이드의 상세 구성도. Figure 2 is a detailed configuration of the flexible hinge amplification mechanism and the flexible hinge guide as an important part of the ultra-fast ultra-precision large displacement stage according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 유연힌지 구조물 만의 유한요소 해석 결과 도면으로서, 3 is a finite element analysis result of only the flexible hinge structure according to the present invention,
도 3a는 정적 해석 결과 도면,3a is a static analysis result drawing,
도 3b는 첫 번째 모드의 동적 해석 결과 도면, 3b is a diagram of a dynamic analysis result of the first mode;
도 3c는 두 번째 모드의 동적 해석 결과 도면. 3C is a diagram of dynamic analysis results of the second mode.
도 4는 본 발명에 따른 유연힌지 구조물에 압전 스택 구동기의 등가 모델을 포함시킨 스테이지의 동적 해석 결과 도면으로서,4 is a result of dynamic analysis of a stage including an equivalent model of a piezoelectric stack driver in a flexible hinge structure according to the present invention;
도 4a는 동적 해석 프로그램의 모형 도면, 4A is a model diagram of a dynamic analysis program,
도 4b는 Y축 방향의 변위 도면, 4B is a displacement diagram in the Y-axis direction,
도 4c는 X축 방향의 변위 도면.4C is a displacement diagram in the X-axis direction.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 유연 힌지 구조물1: flexible hinge structure
2, 3 : X축 방향 압전 스택 구동기2, 3: X-axis piezoelectric stack driver
6, 7 : Y축 방향 압전 스택 구동기6, 7: Y-axis piezoelectric stack driver
4, 5, 8, 9 : 프리로드(Preload) 스프링4, 5, 8, 9: Preload Spring
10 : 시편 탑재 부재10: specimen mounting member
11, 14 : 회전 피벗 힌지11, 14: pivot pivot hinge
12, 16 : 지렛대12, 16: lever
13, 15 : 유연 힌지 가이드13, 15: flexible hinge guide
17, 18 : 힘 변위 전달 피벗 힌지17, 18: force displacement transmission pivot hinge
19 : X스테이지19: X stage
20 : Y스테이지20: Y stage
21, 22 : 힘 전달 피벗 힌지21, 22: force transmission pivot hinge
본 발명은 유연힌지 구조물과 압전 스택 구동기를 결합시켜 시편을 XY축으로 초정밀 초고속으로 이송하는 장치로서 Y축 방향 유연힌지 구조물을 X축 방향 힌지 구조물 내부에 두어서 높은 속도에서 생길 수 있는 X축과 Y축 간 상호 간섭에 의한 위치 결정 에러를 최소화하고 각 축 방향으로 지렛대 원리를 이용한 증폭 구조 설계로 인해 최대한 변위를 크게함으로써 작은 변위를 가진 압전 구동기의 단점을 보 완한 초고속 초정밀 대변위 스테이지에 관한 것이다.The present invention is a device that transfers the specimen to the XY axis at ultra high speed by combining the flexible hinge structure and the piezoelectric stack driver, and the Y-axis flexible hinge structure is placed inside the X-axis hinge structure, The present invention relates to an ultra-fast, high-precision large displacement stage that minimizes the positioning error due to mutual interference between Y-axes and increases the maximum displacement due to the design of the amplifying structure using the principle of lever in each axial direction. .
당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 유연힌지 구조물의 관련기술은 수 백년간 발전되어온 기술로서 판이나 보와 같은 고체 구조물 등의 탄성변형을 이용하여 연속적인 운동을 줄 수 있고 마모가 작으며 원하지 않는 방향의 운동을 최소화 시킬 수 있도록 하는 기술이다. 이와 같은 유연힌지 구조물은 기본적으로 일체형으로 설계되어지기 때문에 증폭 메커니즘을 구현하는 데 매우 편리하며 구조의 다양한 변형이 가능하다. As is well known to those skilled in the art, the related art of flexible hinge structure has been developed for hundreds of years, and it is possible to give continuous movement by using elastic deformation of solid structure such as plate or beam, and wear is small and unwanted direction It is a technique to minimize the movement of the. Since the flexible hinge structure is basically designed in one piece, it is very convenient to implement the amplification mechanism and various modifications of the structure are possible.
한편, 압전 스택 구동 기술의 경우, 압전 스택 구동기는 전기를 기계적 운동으로 변환시켜 주는 압전 원리를 이용한 구동기로서 낮은 전압에서 큰 변위를 만들어 주기 위해 적층형으로 쌓아서 만든 것이다. 이 압전 스택 구동기는 기본적으로 한 축 방향으로 백 볼트의 전압 기준에 수십 마이크로 미터 정도의 변위를 가지게 되며 최대 수 톤에 가까운 큰 힘을 낼 수 있다는 장점을 가진다.On the other hand, in the piezoelectric stack driving technology, the piezoelectric stack driver is a driver using a piezoelectric principle that converts electricity into mechanical motion. The piezoelectric stack driver is stacked in a stack to make a large displacement at a low voltage. This piezoelectric stack driver basically has a displacement of several tens of micrometers on a voltage basis of one hundred volts in one axial direction and has the advantage of being able to produce a large force of up to several tons.
상기한 유연힌지 구조물과 압전 스택 구동기를 결합한 초정밀 이송 스테이지는 최근 원자현미경에 응용되어 보다 정확한 시편의 형상을 짧은 시간에 측정하는 데 활용되고 있다. The ultra-precision transfer stage combining the flexible hinge structure and the piezoelectric stack driver has recently been applied to atomic force microscopy and used to measure more precise specimen shapes in a short time.
최초 원자 현미경에 이용되어진 이송 스테이지는 압전 튜브형 스테이지로서 XYZ 축 방향으로 정밀 운동을 만들어 낼 수 있지만 기본적으로 원통의 움직임을 이용하고 있기 때문에 각 축간 상호 간섭효과가 크며 운동 속도 또한 수 Hz정도만 가능했다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 종래기술에서 유연힌지 구조물과 압전 구동기를 이용한 스테이지가 이용되어지고 있지만, 이러한 종래기술의 스테이지는 완 전히 대칭적 구조를 가지고 있으며 XY축 구동기가 하나의 유연힌지 구조물을 움직이게 설계되어 있어서 높은 구동 주파수에서는 서로 간섭효과가 크게 발생하는 문제점을 가지고 있다. The transfer stage used in the first atomic microscope was a piezoelectric tube type stage that can produce precise motion in the XYZ axis direction, but because of the use of cylindrical motion, the mutual interference between the axes is large and the movement speed is only a few Hz. To solve this problem, a stage using a flexible hinge structure and a piezoelectric driver has been used in the prior art, but the stage of the prior art has a completely symmetrical structure and the XY axis driver is designed to move a single flexible hinge structure. Therefore, at high driving frequencies, interference effects occur largely with each other.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 유연힌지 구조물과 압전 스택 구동기를 결합시켜 시편을 XY축으로 초정밀 초고속으로 이송하는 장치로서 Y축 방향 유연힌지 구조물을 X축 방향 힌지 구조물 내부에 두어서 높은 속도에서 생길 수 있는 X축과 Y축 간 상호 간섭에 의한 위치 결정 에러를 최소화하고 각 축 방향으로 지렛대 원리를 이용한 증폭 구조 설계로 인해 최대한 변위를 크게함으로써 작은 변위를 가진 압전 구동기의 단점을 보완한 초고속 초정밀 대변위 스테이지를 제공하는 데 있다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is a device that transfers the specimen to the XY axis at ultra high speed by combining the flexible hinge structure and the piezoelectric stack driver, so that the Y-axis flexible hinge structure is placed inside the X-axis hinge structure. It minimizes the positioning error due to mutual interference between X and Y axes that can occur in speed and increases the maximum displacement by amplifying structure design using the lever principle in each axis direction to compensate for the disadvantage of piezoelectric actuator with small displacement. It is to provide an ultrafast high precision large displacement stage.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 원자 현미경을 위하여 시편을 XY축으로 이송하는 스테이지에 있어서, 상기 스테이지의 몸체를 형성하며, 유연성의 단위체로 이루어지고, 비대칭 구조의 X방향 스테이지와 Y방향 스테이지로 구분되어 형성되는 유연 힌지 구조물; 압전소자가 적층된 형태로 상기 유연 힌지 구조물에 설치되며, 전압이 인가될 때 X방향으로 변형을 일으키는 X축 방향 압전 구동기; 압전소자가 적층된 형태로 상기 유연 힌지 구조물에 설치되며, 전압이 인가될 때 Y방향으로 변형을 일으키는 Y축 방향 압전 구동기; 및 상기 시편이 탑재되는 시편 탑재 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지가 제공된다. The present invention, in order to achieve the above technical problem, in the stage for transporting the specimen to the XY axis for the atomic microscope, forming the body of the stage, made of a flexible unit, the asymmetric structure of the X-direction stage and Y A flexible hinge structure which is divided into directional stages; A piezoelectric element in which the piezoelectric elements are installed in the flexible hinge structure in a stacked form and cause deformation in the X direction when a voltage is applied; Piezoelectric elements are stacked on the flexible hinge structure in the form of a piezoelectric element, the Y-axis direction piezoelectric driver for causing deformation in the Y direction when a voltage is applied; And a specimen mounting member on which the specimen is mounted.
바람직하게는, 상기 Y방향 스테이지는 상기 X방향 스테이지 내부에 형성되며, 이들 스테이지는 상호간에 비대칭으로 된다. Preferably, the Y-direction stages are formed inside the X-direction stages, and these stages are asymmetrical to each other.
바람직하게는, 본 발명의 스테이지는 상기 압전 구동기의 변형에 따른 힘과 변위를 상기 X방향 스테이지 및 Y방향 스테이지로 각각 안내하기 위한 X축 유연 힌지 가이드 및 Y축 유연 힌지 가이드를 포함한다. Preferably, the stage of the present invention includes an X-axis flexible hinge guide and a Y-axis flexible hinge guide for guiding the force and displacement according to the deformation of the piezoelectric driver to the X-direction stage and the Y-direction stage, respectively.
바람직하게는, 상기 X축 방향 압전 구동기와 Y축 방향 압전 구동기는 각각 적어도 2개 이상 구비된다. Preferably, at least two or more X-axis piezoelectric drivers and Y-axis piezoelectric drivers are provided.
바람직하게는, 본 발명의 스테이지는 상기 압전 구동기의 변위에 따른 상기 유연 힌지 구조물의 인장력을 보강하기 위한 스프링을 포함한다. Preferably, the stage of the present invention includes a spring for reinforcing the tensile force of the flexible hinge structure according to the displacement of the piezoelectric driver.
바람직하게는, 본 발명의 스테이지는 상기 압전 구동기의 변형에 따른 힘과 변위를 증폭시켜 전달하기 위한 지렛대 수단, 힘 전달 피벗 힌지 수단, 회전 피벗 힌지 수단, 및 힘 변위 전달 피벗 힌지 수단을 더 포함한다. Preferably, the stage of the present invention further includes a lever means, a force transmission pivot hinge means, a rotation pivot hinge means, and a force displacement transmission pivot hinge means for amplifying and transmitting the force and displacement according to the deformation of the piezoelectric driver. .
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the ultrafast ultra-precision large displacement stage according to the present invention. In the following description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known technologies or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.
한편, 이하의 설명에 있어서, 종래기술에 따른 구성부재와 본 발명에 의한 구성부재가 동일한 경우에는 종래기술에서 사용하였던 도면 부호를 그대로 사용하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. In the following description, when the member according to the prior art and the member according to the present invention are the same, the same reference numerals used in the prior art are used as they are, and detailed description thereof will be omitted.
먼저, 본 발명은 원자현미경에서 X축과 Y축의 스캐닝 속도가 다르다는 아이디어를 시작으로 기존의 방법들이 갖는 단점을 보완한다. 그리고, 본 발명은 초고속에서 보다 정확한 시편 형상 측정을 가능하게 하기 위하여 X축 구조물과 Y축 구조물을 완전히 분리한 후 각각 다른 공진 주파수를 가지도록 유연 힌지의 길이를 다르게 한다. First, the present invention compensates for the disadvantages of existing methods, starting with the idea that the scanning speeds of the X and Y axes are different in an atomic force microscope. In addition, in the present invention, in order to enable more accurate specimen shape measurement at high speed, the length of the flexible hinge is different from each other so as to have different resonance frequencies after completely separating the X-axis structure and the Y-axis structure.
일반적으로 유연힌지의 길이가 길게 되면 강성이 줄어들어 공진주파수가 낮아지게 되지만 변위는 충분히 얻을 수 있고 반대로 짧아지면 강성이 커져서 공진주파수는 올라가지만 변위는 줄어들게 된다. 따라서, 스테이지의 설계 목적에 맞게끔 스테이지를 적절한 형상 치수로 길이를 결정해야 하는데, 본 발명에서는 Y축 구조물의 경우 100Hz 이상에서 대변위로 운동하도록 유연 힌지를 가능한한 짧게 6.5mm 정도로 설계하였으며 X축 구조물의 경우 수 Hz에서 구동되기 때문에 충분한 변위를 낼 수 있도록 7.5mm 정도로 설계한다. 더불어서, 본 발명의 스테이지 형상은 기존의 스테이지와 달리 비대칭적으로 설계하기 때문에 X축 구조물과 Y축 구조물 간의 공진주파수 차이를 최대화한다. In general, when the length of the flexible hinge is reduced, the stiffness is reduced and the resonance frequency is lowered, but the displacement can be sufficiently obtained. On the contrary, when the short is shortened, the rigidity is increased, the resonance frequency is increased, but the displacement is reduced. Therefore, the length of the stage should be determined by appropriate shape dimensions to suit the design purpose of the stage. In the present invention, the flexible hinge is designed to be 6.5mm as short as possible to move in a large displacement at 100 Hz or more, and the X-axis structure Since it is driven at several Hz, it is designed to be 7.5mm enough to make enough displacement. In addition, since the stage shape of the present invention is designed asymmetrically unlike the existing stage, the resonance frequency difference between the X-axis structure and the Y-axis structure is maximized.
본 발명에서는 상기한 Y축 구조물을 X축 구조물 내부에 들어가도록 설계하여 XY 이송 스테이지로서의 역할을 수행하도록 한다. 이와 더불어 본 발명의 스테이지는 압전 스택 구동기를 각 축당 2개씩 이용하고, 증폭 메커니즘을 이용하여 변위를 확대한다. 또한, 본 발명의 스테이지는 각 2개의 스택 구동기로 스테이지를 밀어 주는 피벗 포인트를 가능한 중앙에서 떨어지도록 설계하여 스테이지의 회전운동을 최소화하도록 하는데, 이러한 구조를 통하여 고속의 스캐닝 속도를 구현할 수 있다. In the present invention, the Y-axis structure is designed to enter the X-axis structure to serve as an XY transfer stage. In addition, the stage of the present invention uses two piezoelectric stack drivers for each axis, and enlarges the displacement by using an amplification mechanism. In addition, the stage of the present invention is designed to minimize the rotational movement of the stage by designing the pivot point to push the stage with each of the two stack drivers as possible from the center, it is possible to implement a high scanning speed through this structure.
도 1은 본 발명에 따른 원자 현미경을 위한 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 중요 부위로서 유연힌지 증폭 메커니즘과 유연힌지 가이드의 상세 구성도이다. 도 3은 본 발명에 따른 유연힌지 구조물 만의 유한요소 해석 결과 도면으로서, 도 3a는 정적 해석 결과 도면이고, 도 3b는 첫 번째 모드의 동적 해석 결과 도면, 도 3c는 두 번째 모드의 동적 해석 결과 도면이다. 도 4는 본 발명에 따른 유연힌지 구조물에 압전 스택 구동기의 등가 모델을 포함시킨 스테이지의 동적 해석 결과 도면으로서, 도 4a는 동적 해석 프로그램의 모형 도면이고, 도 4b는 Y축 방향의 변위 도면이고, 도 4c는 X축 방향의 변위 도면이다. 구체적으로, 도 4는 입력 전압으로 Y축 압전 스택 구동기에는 100Hz의 사인파를, X축의 압전 스택 구동기에는 1Hz의 사인파를 주었을 때, 각 축 방향에 대한 변위를 1초 동안 구동시킨 결과를 나타낸 것이다. 1 is a configuration of the ultra-fast ultra-precision large displacement stage for the atomic microscope according to the present invention, Figure 2 is a detailed configuration of the flexible hinge amplification mechanism and the flexible hinge guide as an important site of the ultra-fast ultra-precision large displacement stage according to the present invention. . 3 is a finite element analysis result diagram of the flexible hinge structure according to the present invention, FIG. 3A is a static analysis result drawing, FIG. 3B is a dynamic analysis result drawing of the first mode, and FIG. 3C is a dynamic analysis result drawing of the second mode. to be. FIG. 4 is a dynamic analysis result diagram of a stage including an equivalent model of a piezoelectric stack driver in a flexible hinge structure according to the present invention, FIG. 4A is a model diagram of a dynamic analysis program, and FIG. 4B is a displacement diagram in the Y-axis direction. 4C is a displacement diagram in the X-axis direction. Specifically, FIG. 4 illustrates a result of driving a displacement in each axis direction for 1 second when a sine wave of 100 Hz is applied to the Y-axis piezoelectric stack driver and a sinusoidal wave of 1 Hz is applied to the X-axis piezoelectric stack driver.
본 발명에 따른 스테이지는, 기본적으로 단위체로 구성되어 있는 유연 힌지 구조물(1)과, X축 방향의 2개의 압전 스택 구동기(2, 3), Y축 방향의 2개의 압전 스택 구동기(6, 7), 각 압전 스택 구동기(2, 3)(6, 7)를 위한 총 4개의 스프링(4, 5)(8, 9) 및 시편이 올려질 시편 탑재 부재(member)(10)를 포함하여 이루어진다. The stage according to the present invention includes a
유연 힌지 구조물(1)에는 바람직하게 마이크로 와이어로 가공되는 약 0.3mm 선폭의 유연 힌지 가이드를 경계로 X축과 Y축의 스테이지 및 힌지 가이드를 구분할 수 있다. 도 2를 참조하면, 유연힌지 구조물(1)은 크게 X 스테이지(19)와, Y 스테이지(20), X축 방향 증폭 메커니즘(A), Y축 방향 증폭 메커니즘(B) 및 각 방향의 스테이지(19)(20)에 대한 유연힌지 가이드(13,15)를 포함한다. The
도 2에서 알 수 있듯이, Y 스테이지(20)는 X 스테이지(19) 내부에 들어 있고, 이들 각 스테이지(19)(20)는 각각 직사각형의 형태의 모양을 취한다. 각 방향 증폭 메커니즘(A)(B)을 살펴보면, X축 방향의 경우에 지렛대(16)와, 회전 피벗 힌지(14), 힘 변위 전달 피벗 힌지(17)(21)가 구비된다. 이들의 구동 원리는, 예를 들어 압전 스택 구동기(3)에 전압을 가하게 되면 X 방향으로 변형이 일어나면서 힘과 변위가 발생하게 되고, 이 힘과 변위를 힘 전달 피벗 힌지(21)를 통하여 지렛대(16)에 전달한다. 가해진 힘과 변위는 회전 피벗 힌지(14)을 기준으로 지렛대(16)가 회전하면서 힘 변위 전달 피벗 힌지(17)를 통해 X축 스테이지(19)에 전달된다. 이와 같이 힘과 변위가 전달된 X축 스테이지(19)는 'ㄷ' 자형의 유연힌지 가이드(15)에 의해 다른 방향의 운동은 최소화시키고 X축 방향으로만 운동하게 된다. 이때 증폭된 변위의 비율은 압전 구동기(3)의 힘 전달 피벗 힌지(21)에서부터 회전 피벗 힌지(14)까지의 거리에 대해서 회전 피벗 힌지(14)에서 힘 변위 전달 피벗 힌지(17)까지의 거리만큼 증폭되어진다. 본 발명에서의 변위 증폭비는 약 5대 1이다. 이 때 주의해야할 사항이 스택의 경우 압축력에는 충분한 힘을 내지만 인장력에서는 힘을 낼 수 없기 때문에 충분한 강성을 가진 스프링(5)을 이용해서 프리로드(Preload)를 주어야 한다. As can be seen in FIG. 2, the
Y축 방향 증폭 메커니즘(B)의 경우도 기본적으로 X축 방향 증폭 메커니즘(A) 의 경우와 유사한 메커니즘으로 구동된다. 예를 들면, 압전 스택 구동기(7)에서 발생된 힘과 변위가 힘 전달 피벗(22)을 통해서 지렛대(12)를 밀어주면, 상기 압전 스택 구동기(7)에서 발생된 힘과 변위는 회전 피벗 힌지(11)를 기준으로 힘 변위 전달 피벗(18)을 통해 Y축 스테이지(20)에 전달되게 된다. 이와 같이 압전 스택 구동기(7)에서 발생된 힘과 변위가 전달된 Y축 스테이지(20)는 유연힌지 가이드(13)에 의해 다른 방향의 운동은 최소화시키고 Y축 방향으로만 운동하게 된다. The case of the Y-axis amplification mechanism B is basically driven by a mechanism similar to that of the X-axis direction amplification mechanism A. For example, when the force and displacement generated in the
본 발명에서 이용된 X축과 Y축 유연힌지 가이드(15)(13)의 길이는 각각 대략 7.5mm와 6.5mm로 설계하여 각축 방향의 공진 주파수가 다르게 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 공진 주파수는 상기한 압전 스택 구동기의 강성, 유연힌지 가이드의 강성, 회전 피벗 힌지의 강성 등의 의해 복합적으로 결정되기 때문에 이러한 유연 힌지 구조물의 적절한 설계가 매우 중요할 것이라는 것은 당업자에게 자명할 것이다. The lengths of the X- and Y-axis flexible hinge guides 15 and 13 used in the present invention are designed to be approximately 7.5 mm and 6.5 mm, respectively, so that the resonant frequency in each axis direction is different. It will be apparent to those skilled in the art that the proper design of such a flexible hinge structure will be very important since the resonant frequency of the present invention is determined in combination by the stiffness of the piezoelectric stack driver, the rigidity of the flexible hinge guide, the rigidity of the rotating pivot hinge, and the like. will be.
상기와 같은 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지의 유연힌지 구조물을 유한요소해석(FEM) 프로그램을 통하여 해석한 결과를 도 3a 내지 도 3c에 나타내 보였다. 도 3a는 정적 해석 결과의 도면으로서, 이 경우에는 X축과 Y축 방향으로 각각 450N의 힘을 가했고, 4 모서리의 나사구멍을 고정시킨 경계 조건하에서 해석을 수행하였다. 도 3a를 참조하면, X축과 Y축 방향으로 변위가 이루어짐을 알 수 있다. The results of the analysis of the flexible hinge structure of the ultrafast ultra-precision large displacement stage according to the present invention through the finite element analysis (FEM) program are shown in FIGS. 3A to 3C. FIG. 3A is a diagram of the results of the static analysis, in which case a force of 450 N was applied in the X-axis and Y-axis directions, respectively, and the analysis was performed under boundary conditions in which four corner screw holes were fixed. Referring to Figure 3a, it can be seen that the displacement is made in the X-axis and Y-axis direction.
도 3b 및 도 3c에서는 상기 정적 해석의 경우와 동일한 힘과 경계조건 하에서 동적 해석을 수행하였다. 상기 동적해석 결과를 나타낸 도 3b 및 도 3c에서 알 수 있듯이, 1번째 모드(234.4Hz; 도 3b)와 2번째 모드(485.8Hz; 도 3c)는 완전히 분리되어 본 발명이 의도한 원하는 방향으로 운동이 이루어짐을 알 수 있다. 3B and 3C, dynamic analysis was performed under the same force and boundary conditions as in the static analysis. As can be seen in Figures 3b and 3c showing the results of the dynamic analysis, the first mode (234.4 Hz; Figure 3b) and the second mode (485.8 Hz; Figure 3c) are completely separated to move in the desired direction intended by the present invention. It can be seen that this is done.
상기한 도 3의 유한 요소 해석으로는 압전 스택 구동기를 포함시킨 동적 해석이 불가능하기 때문에 본 발명의 스테이지를 집중 질량 동해석 프로그램인 리커다인을 이용하여 본 발명의 전체 구조에서 원하는 각 지점의 힘과 변위를 분석하였는데, 이를 도 4a 내지 도 4c에 나타내 보였다. 도 4b 및 도 4c에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 스테이지의 각 축 방향의 상호 간섭 효과가 최소로 줄어들었음을 알 수 있다. 한편, 본 발명에서 사용된 압전 스택 구동기가 100볼트에 12마이크로미터 변위의 사양을 가지는데, 본 발명의 증폭 메커니즘을 통해 약 50마이크로미터 정도로 커졌음을 알 수 있다. In the finite element analysis of FIG. 3 described above, the dynamic analysis including the piezoelectric stack driver is not possible. The displacement was analyzed, which is shown in FIGS. 4A-4C. As can be seen in Figures 4b and 4c, it can be seen that the mutual interference effect in each axial direction of the stage according to the present invention is reduced to a minimum. On the other hand, the piezoelectric stack driver used in the present invention has a specification of 12 micrometer displacement at 100 volts, and it can be seen that it has grown to about 50 micrometers through the amplification mechanism of the present invention.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지는, 유연힌지 구조물과 압전 스택 구동기를 결합시켜 시편을 XY축으로 초정밀 초고속으로 이송하는 장치로서 Y축 방향 유연힌지 구조물을 X축 방향 힌지 구조물 내부에 두어서 높은 속도에서 생길 수 있는 X축과 Y축 간 상호 간섭에 의한 위치 결정 에러를 최소화하고 각 축 방향으로 지렛대 원리를 이용한 증폭 구조 설계로 인해 최대한 변위를 크게함으로써 작은 변위를 가진 압전 구동기의 단점을 보완하는 이점을 제공한다. 즉, 본 발명에 따른 초고속 초정밀 대변위 스테이지는, 각 축간의 속도차가 충분히 클 때 적용이 가능하며, 주 스캔 방향인 X축 방향으로는 약 100Hz 이상에서 충분히 잘 작동할 수 있으며, 특히 각 축 방향으로의 상호 간섭 효과를 최소화하는 이점을 제공한다. As described above, the ultra-fast ultra-precision large displacement stage according to the present invention is a device that transfers the specimen at the high-precision ultra-high speed to the XY axis by combining the flexible hinge structure and the piezoelectric stack driver. Piezoelectric actuator with small displacement by minimizing positioning error due to mutual interference between X-axis and Y-axis which can be placed inside and amplifying structure design using lever principle in each axis direction Provides an advantage to compensate for the shortcomings. That is, the ultra-fast ultra-precision large displacement stage according to the present invention can be applied when the speed difference between the axes is sufficiently large, and can operate well enough at about 100 Hz or more in the X-axis direction, which is the main scan direction, and in particular, each axis direction. It provides the advantage of minimizing the effect of mutual interference.
한편, 기존의 대칭 형태의 스캐너의 경우 X축과 Y축 간 서로 같은 공진주파수를 가지고 있어서 구동 시에 상호 간섭 효과가 매우 크다. 따라서, 이러한 기존 형태의 스캐너로는 100Hz와 같은 고속에서 스캐닝할 때 매우 큰 에러를 내포하기 때문에 적절히 이용하기 어려운 반면, 본 발명의 스테이지가 적용되는 스캐너는 각 방향의 공진 주파수를 확실히 분리함으로써 고속 정밀 스캔에 매우 적합하다. On the other hand, the conventional symmetric type scanner has the same resonance frequency between the X-axis and the Y-axis, so the mutual interference effect is very large when driving. Therefore, such a conventional scanner is difficult to use properly because it contains a very large error when scanning at a high speed such as 100 Hz, while the scanner to which the stage of the present invention is applied is fast and precise by separating the resonance frequency in each direction. It is very suitable for scanning.
또한, 본 발명은 증폭 메커니즘을 잘 알려진 지렛대 원리를 이용함으로서 최소 5배 이상의 변위 증폭 효과를 달성하며, 스캐너 설계 공간을 최소화할 수 있는 장점을 제공한다. 더불어, 본 발명은 각 축 방향으로 2개의 압전 스택 구동기를 이용함으로써 가능한한 회전 방향으로 운동하는 것을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 회전 방향 운동을 상쇄할 수 있는 효과도 줄 수 있고, 나아가 충분한 힘을 스테이지에 줄 수 있어서 외란에 의한 에러 요인을 최소화 할 수 있는 이점을 제공한다. In addition, the present invention achieves at least five times the displacement amplification effect by using the well-known lever principle of the amplification mechanism, and provides the advantage of minimizing the scanner design space. In addition, the present invention not only reduces the movement in the rotational direction as much as possible by using two piezoelectric stack drivers in each axial direction, but also can provide an effect of canceling the rotational movement, and furthermore, a sufficient force is applied to the stage. It can provide the advantage of minimizing the error factor caused by disturbance.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.Although a preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, those skilled in the art to which the present invention pertains may make various changes without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be appreciated that modifications or variations may be made. Therefore, changes in the future embodiments of the present invention will not be able to escape the technology of the present invention.
Claims (8)
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