KR100597442B1 - 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구 - Google Patents

초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체를 탑재한 이동프레임을 2축 방향으로 선형운동시킬 때 기생오차를 최소화시켜 탑재된 물체를 원하는 위치에 보다 정밀하게 위치결정시킬 수 있도록 하는 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구에 관한 것으로,
이동프레임의 사변 각각에 한 쌍의 탄성체가 연결되는 사중선형스프링; 상기 사변의 탄성체에 이동부재가 연결되어, 상기 이동프레임에 힘을 가하여 이동시킬 때 이동부재의 위치를 가변시켜 상기 이동부재가 직선이동 할 수 있도록 안내하는 안내수단;을 포함하는 것이 특징이다.
여기서, 상기 안내수단은, 상기 사변의 탄성체와 연결되는 이동부재; 상기 이동부재의 이격된 양측에 구비되는 지지대; 상기 이동부재와 각 지지대들 사이에 연결되는 탄성을 갖는 한 쌍의 제 1탄성체; 및 상기 제 1탄성체들의 각 외측 지지대에 연장되고 그 단부가 설치장소에 고정되어, 이동프레임의 이동에 의해 이동부재 및 제 1탄성부재의 위치가 변위될 때 이들을 직선이동 안내하는 제 2탄성부재;를 포함하는 이중복합선형스프링이다.
위치결정, 기생오차, 선형스프링, 이중선형스프링, 사중선형스프링, 이중복합선형스프링

Description

초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구{Parallel type two axes linear guide mechanism for ultra fine positioning}
도 1은 종래 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 위치 결정용 1축 선형 스프링의 동작 전, 후 상태를 나타내는 평면도
도 2는 종래 발명의 다른 실시예에 따른 초정밀 위치 결정용 1축 이중선형스프링의 동작 전, 후 상태를 나타내는 평면도
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예의 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구의 평면도
도 4는 도 3의 본 발명에 적용된 이중복합선형스프링을 보인 도면
도 5는 본 발명에 적용된 이중복합선형스프링의 동작상태를 보인 도면
도 6은 도 3의 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구가 1축 방향으로 구동된 상태를 보인 도면
도 7은 도 3의 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구가 2축 방향으로 구동된 상태를 보인 도면
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 병렬형 2축 선형안내기구 2 : 사중선형스프링
3X : X-이중복합선형스프링 3Y : Y-이중복합선형스프링
본 발명은 물체를 X-Y의 2축방향으로 변위시키는 나노급 메커니즘에 있어서, 사중선형스프링의 사변에 설치된 탄성체에 사중선형스프링의 이동프레임을 직선운동으로 안내하는 안내수단을 설치하여, 물체를 탑재한 이동프레임을 2축 방향으로 선형운동시킬 때 발생하는 기생오차를 최소화시켜 탑재된 물체를 원하는 위치에 보다 정밀하게 위치결정시킬 수 있도록 하는 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구에 관한 것이다.
종래의 나노 분해능을 갖는 초정밀 위치결정기구는 압전소자 또는 전자기력을 이용하여 물체를 탑재한 이동프레임에 힘을 인가하며, 인가된 힘이 원하는 방향으로만 작용하도록 간단한 탄성체에 의한 스프링기구를 이용하여 운동을 안내하였다.
그러나, 간단한 탄성체에 의한 스프링기구를 이용하여 이동프레임의 운동을 안내하는 경우에는 구동방향으로 이동프레임이 운동함에 따라 구동방향 이외의 방향으로 필요불가결하게 원하지 않는 기생오차가 발생하는 단점을 가지고 있다.
간단한 탄성체에 의한 스프링기구를 이용한 2축 선형안내기구에는 1축 구동의 선형스프링 안내기구 상에 또다른 1축구동의 선형 스프링 안내기구를 추가한 직렬형 안내기구 및 ㄱ 자형 스프링을 이동프레임의 4곳의 모서리에 설치한 병렬형 스프링 안내기구 있었다.
그러나, 상기 직렬형 선형안내기구의 구조는 첫 번째 축에서 발생한 구동방향 이외의 기생 오차가 두 번째 축에 영향을 미쳐 최종단에서 오차가 크게 나타나는 문제점이 있었다. 뿐만 아니라, 이러한 직렬형 안내기구는 두 축을 안내하는 안내기구의 강성이 동일할 경우 두 번째 축의 질량에 첫 번째 축에 부가되기 때문에 첫 번째 축의 고유진동수가 두 번째 축의 고유진동수보다 작아져 동적 특성이 두 축에서 서로 다른 단점이 있었다.
또한, 상기 병렬형 2축 구동의 선형 안내기구는 이동프레임의 4곳의 모서리에 ㄱ자형 스프링이 설치된 형태로 구성되는데, 상기 이동프레임에 힘을 인가하는 위치가 중심축에서 미소 편심되면 회전방향으로 오차가 발생하는 문제점이 있다.
이상과 같이 기존의 직렬형 선형안내기구 및 병렬형 선형안내기구에서 구동방향 이외의 방향에서 발생하는 기생오차는 초정밀 위치결정을 방해하기 때문에 가능한 한 기생오차를 줄여 기존의 선형안내기구 보다 향상된 위치결정성능을 가지는 2축 선형안내기구의 개발이 절실히 요구되고 있고, 이러한 목적을 만족하기 위해 본 발명을 제안한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 위치결정용 선형 안내기구의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 사중선형스프링의 사변에 설치된 탄성체에 사중선형스프링의 이동프레임을 직선운동으로 안내하는 안내수단을 설치하여, 물체를 탑재한 이동프레임을 2축 방향으로 선형운동시킬 때 발생하는 기생오차를 최소화시켜 탑재된 물체를 원하는 위치에 보다 정밀하게 위치결정시킬 수 있도록 하는 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구를 제공함에 있다.
이러한 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구는, 이동프레임의 사변 각각에 한 쌍의 탄성체가 연결되는 사중선형스프링; 상기 사변의 탄성체에 이동부재가 연결되어, 상기 이동프레임에 힘을 가하여 이동시킬 때 이동부재의 위치를 가변시켜 상기 이동부재가 직선이동 할 수 있도록 안내하는 안내수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 안내수단은 공지의 이중복합선형스프링을 사용할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구의 실시예 구성을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예의 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구의 평면도이고, 도 4 내지 도 5는 본 발명에 적용된 이중복합선형스프링에 관한 도면이며, 도 6은 도 3의 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구가 1축 방향으로 구동된 상태를 보인 도면이고, 도 7은 도 3의 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구가 2축 방향으로 구동된 상태를 보인 도면이다.
상기 도면에서와 같이 본 발명의 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구(1)는, 사중선형스프링(2)과 이 사중선형스프링(2)의 이동프레임(2a) 사변에 설치되어 이동프레임(2a)이 물체를 탑재하여 이동할 때 직선운동으로 안내하는 안내수단으로 구성된다.
상기 사중선형스프링(2)은 이동프레임(2a) 사방에 한 쌍(2개)의 탄성체(2b-x)(2b-y)가 구비되는 데, 상기 탄성체(2b-x)(2b-y)들은 안내수단과 연결된다.
다시 말해, 상기 사중선형스프링(2)은 도 3, 도 8과 같이 이동프레임(2a)의 X축 양변에 한 쌍의 X-탄성체(2b-x)와 Y축 양변에 한 쌍의 Y-탄성체(2b-y)를 연결하여 구성한다.
상기 탄성체(2b-x)(2b-y)들은 이동프레임(2a)의 이동력을 안내수단에 전달할 수 있도록 강성을 가지야 하므로 바람직하게는 판스프링 형태로 구성되는 것이 좋다.
이와 같이 구성된 사중선형스프링(2)은 이동프레임(2a)에 물체를 탑재하고 사방으로 이동하여 탑재된 물체를 원하는 위치에 운반하게 된다.
상기 안내수단은 물체를 탑재한 이동프레임(2a)이 1축방향(X축 또는 Y축방향), 2축방향(X-Y축방향)으로 이동할 때 상기 이동프레임(2a)을 직선운동으로 안내하는 것이다.
이러한 안내수단의 일 실시예는 도 3과 같이 사중선형스프링(2)의 이동프레임(2a) 사변에 설치되는 이중복합선형스프링(3)을 사용한다.
상기 이중복합선형스프링(3)은 도 4와 같이 이동부재(3a)와, 상기 이동부재(3a)의 이격된 양측에 지지대(3b)가 위치하며, 상기 이동부재(3a)와 상기 지지대(3b) 사이에 각각 한 쌍의 제 1탄성체(3c)가 연결되고, 상기 각 지지대(3b)의 양단과 고정단 사이에 각각 한 쌍의 제 2탄성체(3d)가 연결된다.
상기와 같이 구성된 이중복합선형스프링(3)은 도 5와 같이 이동부재(3a)에 힘(F)을 인가할 때 제 1탄성체(3c)와 제 2탄성체(3d)의 굽힘변형에 의해 이동부재(3a)의 직선운동이 안내된다.
이 때, 제 1탄성체(3c)와 제 2탄성체(3d)의 굽힘변형에 의해 지지대(3b)가 인가된 힘의 방향과 수직방향으로 이동부재(3a)의 중심을 향하여 변위하므로 1탄성체(3c) 및 제 2탄성체(3d)는 인장되지 않을 뿐만 아니라 이동부재(3a) 운동에 기생오차도 발생하지 않는다.
상기 이중복합선형스프링(3)은 상기 이동부재(3a)가 사중선형스프링(2)의 탄성체와 연결되므로, 4쌍의 탄성체가 사중선형스프링(2) 사방에 설치되어 이동프레 임(2a)을 직선운동으로 안내하게 된다.
도 3, 도 6, 도 7은 상기 이중복합선형스프링(3)이 사중선형스프링(2)의 이동프레임(2a) 사변에 설치됨을 보이고 있다.
이를 더 구체적으로 설명하면, 사중선형스프링(2)의 X축 양변에 위치한 한 쌍의 X-탄성체(2b-x)에 X-이중복합선형스프링(3X)이 설치되고, 상기 사중선형스프링(2)의 Y축 양변에 위치한 한 쌍의 Y-탄성체(2b-y)에 연결된 X-이중복합선형스프링(3X)과 동일한 형상의 Y-이중복합선형스프링(3Y)이 설치된다.
이와 같이 구성된 이중복합선형스프링(3)이 설치된 본 발명의 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구(1)는 도 6과 같이 사중선형스프링(2)의 이동프레임(2a)에 X방향의 힘(Fx)을 가하면, 상기 X-이중복합선형스프링(3X)이 사중선형스프링(2)의 이동프레임(2a)과 힘 인가방향의 X-탄성체(2b-x)를 직선운동하도록 안내하며 동시에 힘 인가방향과 수직방향으로는 Y-탄성체(2b-y)와 Y-이중복합선형스프링(3Y)이 이동프레임(2a)을 직선운동하도록 안내한다.
직선운동을 안내하는 힘(Fx)에 수직방향에 있는 상기 Y-탄성체(2b-y)는 굽힘변형에 의해 길이방향으로 미소변위를 하며 이 미소변위는 상기 Y-탄성체(2b-y)와 연결된 Y-이중복합선형스프링(3Y)의 이동부재(3a)의 운동에 의해 보상된다.
다시 말해, 이동프레임(2a)에 힘(Fx)을 인가하여 이동프레임(2a)을 X축 방향으로 이동시킬 때 이동 축 방향의 X-탄성체(2b-x)는 힘을 전달하기 때문에 인장 또는 압축력 만이 발생되어 X-탄성체(2b-x)는 미미한 변형으로 상기 이동프레임(2a) 및 X-이중복합선형스프링(3X)의 이동부재(3a)와 함께 이동한다.
또한, 이동부재(3a)의 이동에 따라 제 1탄성체(3c) 및 제 2탄성체(3d)는 굽힘변형을 하고, 상기 제 1탄성체(3c) 및 제 2탄성체(3d)의 굽힘변형에 의해 지지대 (3b)도 힘 인가방향으로 상기 이동부재(3a) 이동량의 반만큼 이동한다.
동시에 상기 이동프레임(2a)의 힘 인가방향과 수직인 양변에 연결된 Y-탄성체(2b-y)는 굽힘변형에 의해 상기 이동프레임(2a)을 직선방향으로 안내하는 역할을 한다.
이 때, 상기 Y-탄성체(2b-y)는 굽힘변형에 의해 힘 인가방향의 수직방향으로 중심을 향해 미소 이동하게 되며, 이 미소변위량은 상기 Y-탄성체(2b-y)에 연결된 Y-이중복합선형스프링(3Y)의 이동부재(3a)가 중심을 향해 미소 이동하여 상기 Y-탄성체(2b-y)에 의해 발생되는 길이방향의 변위를 보상한다.
또한, 상기 Y-이중복합선형스프링(3Y)은 상기 이동부재(3a)의 미소 이동에 의해 양변의 제 1탄성체(3c) 및 제 2탄성체(3d)가 굽힘변형하고, 상기의 제 1탄성체(3c) 및 제 2탄성체(3d)가 굽힘변형에 의해 지지대 (3b)는 상기 이동부재(3a) 이동량의 반만큼 이동하게 된다.
이와 같은 작동원리에 의해 상기 병렬형 2축 선형안내기구는 이동프레임(2a)의 한 축 방향으로 힘이 인가될 때 기생오차도 없이 선형 안내가 가능하다.
사중선형스프링(2)의 이동프레임(2a)에 도 7과 같이 X와 Y방향의 힘을 동시에 가하면, 상기 X-탄성체(2b-x)와 Y-탄성체(2b-y) 는 힘을 전달하는 동시에 각 방 향의 운동을 안내하며, X-이중복합선형스프링(3X)과 Y-이중복합선형스프링(3Y)은 X-탄성체(2b-x)와 Y-탄성체(2b-y)에 변위를 보상하기 위한 운동을 안내한다.
상기 이동프레임(2a)의 두 축 방향으로 힘이 인가되기 때문에 상기 이동프레임(2a)의 양변에 연결된 X-탄성체(2b-x) 및 Y-탄성체(2b-y)는 각각 힘의 전달과 구동방향의 선형안내를 해야 하므로 굽힘변형이 일어나며, X-이중복합선형스프링(3X)의 이동부재(3a)와 Y-이중복합선형스프링(3Y)의 이동부재(3a)는 힘의 전달에 의한 힘방향의 진행과 X-탄성체(2b-x) 및 Y-탄성체(2b-y)의 안내에 의한 길이방향 미소변위의 보상 때문에 직선방향으로 이동된다.
따라서, 이와 같은 작동원리에 의해 상기 병렬형 2축 선형안내기구는 이동프레임(2a)의 두 축 방향으로 힘이 인가될 때 기생오차도 없이 선형 안내가 가능하다.
또한, 상기 병렬형 2축 선형안내기구의 이동프레임(2a)에 힘이 미소 편심되어 작용되었을 때 이동프레임(2a)의 네 변에 있는 X-탄성체(2b-x) 및 Y-탄성체(2b-y)는 동일한 방향으로 굽힘변형이 일어나며 X-이중복합선형스프링(3X)의 이동부재(3a) 및 Y-이중복합선형스프링(3Y)의 이동부재(3a)를 회전시키려고 하나 이 경우 X-이중복합선형스프링(3X) 및 Y-이중복합선형스프링(3Y)의 회전방향 강성이 이동방향 강성에 비해 매우 크기 때문에 회전하기가 어렵다.
따라서, 상기와 같이 이동프레임(2a)에 힘이 미소 편심되어 작용할 경우 X-이중복합선형스프링(3X)의 이동부재(3a) 및 Y-이중선형스프링(3Y)의 이동부재(3a) 의 회전량이 미미하기 때문에 이동프레임(2a)의 회전에 의한 기생오차는 매우 미미하며, 매우 작은 기생오차로서 선형안내가 가능하다.
이러한 일련의 동작에 의해 이동프레임(2a)은 운동방향 이외의 타 방향 기생오차를 최소화함으로서 물체를 지정된 위치에 정확하게 위치결정시키게 된다.
이와 같이 사중선형스프링(2)의 이동프레임(2a) 네 변에 설치된 X-이중복합선형스프링(3X) 및 Y-이중복합선형스프링(3X)은 이동프레임(2a)이 선형운동할 때 발생하는 원하지 않는 기생오차를 최소화하는 것으로, 종래 선형스프링과 차별화된다.
예컨대, 도 1의 종래 공지된 선형스프링(10)은 이동프레임(10a)의 1축방향의 직선운동을 안내하기 위한 것이다. 상기 선형스프링(10)은 한 쌍의 탄성체(10b)가 이동프레임(10a)의 한 면과 고정단 사이에 연결되어 있다.
상기 선형스프링(10)의 이동프레임(10a)에 탄성체의 길이방향에 대해 수직방향으로 힘(F)을 인가하면 상기 탄성체(10b)는 굽힘변형이 일어나며 한 쌍의 상기 탄성체(10b)가 동일한 형상으로 굽힘변형이 일어나기 때문에 상기 이동프레임(10a)은 회전함 없이 힘의 인가방향으로 직진운동을 한다.
그러나, 상기 탄성체(10b)의 굽힘변형으로 인하여 탄성체(10b)의 길이방향으로 미소 변위의 기생오차가 발생하는 단점이 있다.
이러한 종래 선형스프링(10)은 이동프레임(10a)의 회전방향 강성이 직진방향의 강성에 비해 매우 크기 때문에 힘 인가 위치가 상기 이동프레임(10a)의 중심에서 미소 편심하더라도 회전방향의 기생오차가 매우 작다.
도 2는 공지된 다른 이중선형스프링(20)이며, 상기 도 1의 선형스프링의 단점을 극복하기 위한 것으로, 각각 한 쌍의 탄성체(20b)를 이동프레임(20a) 양 변과 고정단 사이에 연결한 것이다.
이와 같은 구조에서는 이동프레임(20a)에 힘(F)이 인가됨에 따라 상기 이동프레임(20a)의 양변에 설치된 탄성체(20b)가 대칭적으로 동일하게 인장됨과 동시에 굽힘변형한다.
따라서, 기생오차는 발생하지 않으나 탄성체(20b)의 인장량이 제한되기 때문에 이동프레임(20a)의 변위에 제한이 따른다.
이러한 종래 이중선형스프링의 단점을 극복하기 위한 것이 상기 이중복합선형스프링(3)이다.
이상과 같이 구성되는 본 발명의 초정밀 위치 결정용 병렬형 2축 선형 안내기구는 이동프레임 또는 이중복합선형스프링의 이동부재에 힘을 인가시켜 이동프레임을 선형운동시킬 때, 이동프레임에 연결된 선형스프링과 이중복합선형스프링의 특성으로 인하여 이동프레임의 운동에 기생오차가 매우 작아 초정밀 위치결정이 가능하다.
또한, 병렬형 기구이기 때문에 직렬형 기구에서 발생하는 위치 누적오차가 없으며 두 축에서 동일한 정적 및 동적특성을 나타낸다.

Claims (2)

  1. 이동프레임의 사변 각각에 한 쌍의 탄성체가 연결되는 사중선형스프링;
    상기 사변의 탄성체에 이동부재가 연결되어, 상기 이동프레임에 힘을 가하여 이동시킬 때 이동부재의 위치를 가변시켜 상기 이동부재가 직선이동 할 수 있도록 안내하는 안내수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 초정밀 위치결정용 병렬형 2축 선형 안내기구.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 안내수단은
    상기 사변의 탄성체와 연결되는 이동부재;
    상기 이동부재의 이격된 양측에 구비되는 지지대;
    상기 이동부재가 직선왕복이동할 수 있도록 상기 이동부재와 각 지지대들 사이에 연결되는 탄성을 갖는 한 쌍의 제 1탄성체;
    상기 제 1탄성체들의 각 외측 지지대에 연장되고 그 단부가 설치장소에 고정되어, 이동프레임의 이동에 의해 이동부재 및 제 1탄성부재의 위치가 변위될 때 이들을 직선이동 안내하는 제 2탄성부재;를 포함하는 이중복합선형스프링인 것을 특징으로 하는 초정밀 위치결정용 병렬형 2축 선형 안내기구.
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