KR100642263B1 - 마이크로나노모션을 위한 힌지모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액추에이터 구동 및 탄성 힌지 등을 이용한 마이크로나노모션 생성시 액추에이터로부터의 모션 입력을 탄성 힌지를 통해 수배로 증폭시키는 2단 직렬 L자형 탄성 레버구조의 힌지모듈에 관한 것이다.

본 발명은 L자형태의 레버를 상하 직렬로 배치하고 총 3곳의 탄성 힌지점을 확보한 구조를 이용하여 마이크로나노모션을 생성시킬 수 있도록 함으로써, 모션증폭율을 종전의 증폭모듈들에 비해 대폭 향상시킬 수 있도록 하는 한편, 모션가이드부를 제거하여 액추에이터, 탄성 힌지모듈, 스테이지 가동부를 분리함으로써, 각각의 모듈화를 통해 재활용성을 증가시키고 가공 및 수정을 용이하게 할 수 있도록 한 탄성 힌지모듈을 제공한다.

마이크로스테이지, 마이크로나노모션, 힌지모듈

Description

마이크로나노모션을 위한 힌지모듈{Hinge module for micro nano motion}

도 1은 종래 일자형 레버구조의 힌지모듈을 나타내는 평면도

도 2는 종래 단일 L자형 레버구조의 힌지모듈을 나타내는 정면도

도 3은 도 2의 증폭원리를 보여주는 개략도

도 4는 본 발명에 따른 2단 직렬 L자형 탄성 레버구조의 힌지모듈을 나타내는 정면도

도 5는 도 4의 사시도

도 6은 도 4의 증폭원리를 보여주는 개략도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 스테이지 가동부 11 : 입력측암

12 : 출력측암 13a,13b,13c,13d : 탄성힌지

14 : 고정부 15 : 압전구동기

16 : 커플러 17 : 상부 L자형 레버

18 : 하부 L자형 레버 19 : 제2탄성힌지

20 : 제1탄성힌지 21 : 제3탄성힌지

22 : 액추에이터 연결부 23 : 액추에이터 설치부

본 발명은 액추에이터 구동 및 탄성 힌지 등을 이용한 마이크로나노모션 생성시 액추에이터로부터의 모션 입력을 탄성 힌지를 통해 수배로 증폭시키는 힌지모듈에 관한 것으로서, 특히 2단 직렬 L자형 탄성 레버구조의 힌지모듈을 제공하여 모션증폭율을 기존의 일자형이나 단일 L자형에 비해 보다 높게 증가시킬 수 있고, 증폭 모듈과 스테이지 가동부의 분리가 가능함에 따라 모듈의 재활용성을 증가시킬 수 있는 동시에 가공 및 수정을 용이하게 할 수 있는 마이크로나노모션을 위한 힌지모듈에 관한 것이다.

최근 미세공정분야(반도체, LCD, IT, BT 등)의 수요 증가에 따라 마이크로나노모션을 생성하고 제어하는 마이크로스테이지의 상품화가 많이 이루어지고 있다.

이러한 마이크로스테이지는 모션범위가 축당 수십 내지 수천 ㎛이며 위치 정밀도는 1∼100㎚로 매우 정밀한 특징을 갖는다.

또한, 과거 자유도수가 3 이하가 주종을 이루었으나, 현재는 5∼6 자유도를 갖는 제품들이 나오고 있다.

6 자유도의 스테이지의 경우 미세한 프로우브를 원하는 위치와 방향으로 위치시키는 것이 가능하다.

모션범위가 큰 것을 구입하여 사용할 경우 가격이 고가이며 액추에이터유닛의 부피가 크므로 보다 소형의 모션범위가 작은 것을 채용하고 모션증폭모듈을 사 용하는 것이 효과적인 경우가 많다.

도 1은 종래 일자형 레버구조의 힌지모듈을 나타내는 평면도이다.

여기서는 일자형 레버구조의 힌지모듈과 이를 이용한 모션 스테이지를 보여준다.

스테이지 가동부(10)의 일측으로 입력측암(11)과 출력측암(12)이 구비되고, 탄성힌지(13a)를 통한 지렛대의 원리를 이용한 방식으로 이루어져 있다.

화살표 방향으로 입력모션이 가해지면 지렛대의 원리에 의한 입력측암(11)과 출력측암(12)의 변위로 소정의 마이크로나노모션을 얻을 수 있도록 되어 있다.

그러나, 이와 같은 일자형 레버구조의 힌지모듈은 다음과 같은 단점이 있다.

① 힌지점을 중심으로 암의 길이가 길어질 경우 횡방향 강성이 저하되어 휨이 발생하기 쉽고, 이로 인해 입출력 간의 모션증폭비가 감소된다.

물론, 휨강성을 보강하기 위해 암의 단면적을 힌지점에서 가장 크도록 설계하기도 한다.

② 일자형 레버구조가 스테이지 가이드 본체의 일부이므로 부분적인 파손시 전체 스테이지를 재가공해야만 한다.

③ 모션 입력방향과 모션 출력방향이 180°를 이루며, 입출력모션 간의 방향성이 고정되어 있다.

도 2는 종래 단일 L자형 레버구조의 힌지모듈을 나타내는 정면도이다.

여기서는 단일 L자형 레버구조를 이용한 모션 증폭의 예를 보여준다.

고정부(14)의 한쪽에는 놋치형 탄성힌지(13b)를 가지면서 L자형태를 취하는 입력측암(11) 및 출력측암(12)이 지지되고, 다른 한쪽에는 압전구동기(15)가 지지되는 동시에 이때의 압전구동기(15)의 선단은 입력측암(11)과 접하고 길이중간은 커플러(16)와 관통 조립되면서 출력측암(12)상에 지지된다.

미설명 부호 13c, 13d는 커플러의 탄성힌지를 나타낸다.

따라서, 압전구동기가 가동되면 L자형 레버구조를 갖는 입력측암(11)과 출력측암(12)의 변위로 소정의 마이크로나노모션을 얻을 수 있도록 되어 있다.

이때의 모션은 압전구동기→입력측암→출력측암→커플러로 이어지는 전달경로를 갖게 된다.

도 3은 종래 단일 L자형 레버구조의 힌지모듈이 나타내는 증폭원리를 보여주는 개략도이다.

회전중심이 되는 피봇 부분만 확대한 오른쪽 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이 근사적으로 (a/b) 만큼 입력이 확대된 것을 알 수 있다.

압전구동기(PZT)의 특성은 나노 스케일의 정확도를 갖는 반면 출력 변위가 매우 작다는 단점이 있다.

이를 극복하기 위하여 자벌레 방식이나 지렛대 원리를 응용한 증폭기구들이 사용되고 있다.

자벌레 방식은 변위를 연속적으로 발생시키기 어렵다는 문제가 있어서 일반적으로 볼스크류나 리니어모터를 이용한 큰 모션과 압전구동기의 미세 모션을 적용한 이중서보 방식을 많이 사용하고 있다.

위와 같은 미세 모션을 구현하기 위해 압전구동기와 증폭 레버를 사용하게 되는데, 여기서는 크게 2가지 문제점이 발생할 수 있다.

① 증폭을 위한 레버가 길어지면 굽힘강성의 저하로 인하여 변위 손실이 발생하게 되므로 레버의 길이를 많이 늘릴 수 없게 된다.

② 압전구동기 자체도 강성이 있기 때문에 증폭 기구부의 강성이 크게 되면 압전구동기의 자체 출력 또한 즐어들게 되므로 전체 출력 변위의 손실이 발생한다.

따라서, 허용조건하에서 증폭 모듈의 레버 강성은 크게 설계해야 하고 힌지 강성은 작게 설계해야 한다.

증폭 레버의 강성을 크게 하는 방법은 레버의 단면계수를 크게 설계하거나 레버의 길이를 작게 하는 방법이 있으며, 힌지의 강성을 줄이는 방법으로는 치수를 조정하는 것으로도 가능하나 가공상의 한계가 있기 때문에 힌지의 수를 적게 설계하는 것이 바람직하다.

이러한 배경에서 증폭 모듈은 힌지의 수가 적은 동시에 레버의 길이가 짧으면서 증폭이 많이 되는 구조를 필요로 한다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, L자형태의 레버를 상하 직렬로 배치하고 총 3곳의 탄성 힌지점을 확보한 구조를 이용하여 마이크로나노모션을 생성시킬 수 있도록 함으로써, 모션증폭율을 종전의 증폭모듈들에 비해 대폭 향상시킬 수 있도록 한 탄성 힌지모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 모션가이드부를 제거하여 액추에이터, 탄성 힌지모 듈, 스테이지 가동부를 분리함으로써, 각각의 모듈화를 통해 재활용성을 증가시키고 가공 및 수정을 용이하게 할 수 있도록 한 탄성 힌지모듈을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상부 L자형 레버와 하부 L자형 레버가 위아래 나란하게 배치되면서 서로의 한쪽 끝은 제2탄성힌지로 연결되고, 상기 상부 L자형 레버의 꺽임부위와 하부 L자형 레버의 시작점은 제1탄성힌지와 제3탄성힌지에 의해 고정부의 양쪽에 각각 연결되어 하부 L자형 레버가 입력이, 상부 L자형 레버가 출력이 되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부 L자형 레버와 하부 L자형 레버는 L자형태의 꺽임부위가 서로 좌우로 반대쪽에 놓이도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부 L자형 레버는 L자형태의 시작점과 끝점을 이은 삼각형 구조로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부 L자형 레버는 레버 몸체를 수평으로 관통하는 액추에이터 연결부를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1탄성힌지, 제2탄성힌지 및 제3탄성힌지는 놋치형상의 반원형 탄성힌지로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 탄성 힌지모듈은 2단 직렬 L자형 레버구조, 즉 L자형 레버를 위아래 나란하게 배치한 구조로 이루어져 있으며, 상부 L자형 레버와 하부 L자형 레버 는 제2탄성힌지로 연결되어 하부 L자형 레버는 입력부가 되고 상부 L자형 레버는 출력부가 된다.

이렇게 제2탄성힌지에 의해 일체형으로 조합되는 상하부 L자형 레버는 제1탄성힌지와 제3탄성힌지를 통해 고정부측에 연결 지지된다.

또한, 입력측 하부 L자형 레버는 L자형태의 시작점과 끝점을 이은 삼각형 구조를 가짐에 따라 굽힘강성이 강화될 수 있다.

또한, 총 3곳의 탄성힌지가 구비되며 각 탄성힌지는 놋치형상의 반원형 탄성힌지로 되어 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 2단 직렬 L자형 탄성 레버구조의 힌지모듈을 나타내는 정면도 및 사시도이다.

도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 2개의 L자형 레버, 즉 상부 L자형 레버(17)와 하부 L자형 레버(18)는 위아래 나란하게 위치되면서 각 L자형태의 꺽임부위가 서로 좌우로 반대쪽에 놓이도록 배치되고, 이렇게 배치된 상태에서 서로 근접되는 상부 L자형 레버(17)의 시작점(P1)과 하부 L자형 레버(18)의 끝점(P4)은 제2탄성힌지(19)에 의해 서로 연결되어 하나의 일체형으로 조합된다.

이렇게 조합되는 상하부 L자형 레버(17),(18)는 양쪽 수직부재를 갖는 고정부(14)의 내측에 위치되고, 레버의 각 일측, 즉 상부 L자형 레버(17)의 꺽임부위와 하부 L자형 레버(18)의 시작점(P3)은 제1탄성힌지(20)와 제2탄성힌지(21)에 의해 고정부(14)의 수직부재측과 연결되어 지지된다.

이때의 각 탄성힌지는 가장 윗쪽으로 제1탄성힌지(20)가 위치되고, 그 아래 쪽으로 제2탄성힌지(19)와 제3탄성힌지(21)가 대각선 방향으로 차례로 위치되는 배열구조를 갖는다.

이러한 상하부 L자형 레버(17),(18)를 갖는 힌지모듈에서 하부 L자형 레버(18)의 시작점(P3) 부분이 입력측이 되고, 상부 L자형 레버(17)의 끝점(P2) 부분이 출력측이 된다.

액추에이터와의 조합을 위하여 고정부(14)의 한쪽 수직벽체와 하부 L자형 레버(18)에는 동일축선을 이루는 수평의 액추에이터 설치부(23) 및 액추에이터 연결부(22)가 관통 형성된다.

도 6은 본 발명의 탄성 힌지모듈에 대한 증폭원리를 보여주는 개략도이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 입력지점(길이 d)에 입력 변위를 가하면 하부 L자형 레버의 제3탄성힌지는 θ₁ 만큼 회전이 일어나게 되므로 상부 L자형 레버의 끝점은 지렛대의 원리에 의하여 변위가 증폭된다.

하부 L자형 레버의 끝점인 제2탄성힌지의 변위는 초기지점에서 회전중심점인 제3탄성힌지 지점까지 직선으로 연결하고 이 직선이 θ₁ 만큼 회전하면 된다.

한편, 상부 L자형 레버의 경우 하부 L자형 레버의 제2탄성힌지 지점 변위로 인해 θ₂ 만큼 회전한다고 가정하면 상부 L자형 레버만의 모션 증폭율은 b/a가 된다.

이때, 기하학적인 조건상 제2탄성힌지 지점은 하부 L자형 레버의 회전시 변위방향(제2탄성힌지와 제3탄성힌지를 연결하는 직선에 대해 수직인 방향)과 상부 L 자형 레버의 회전시 변위방향(제1탄성힌지와 제2탄성힌지를 연결하는 직선에 대해 수직인 방향)이 일치해야 하나 실제는 약간의 차이가 발생할 수 있지만, 이러한 변위방향의 불일치는 제1탄성힌지, 제2탄성힌지 및 제3탄성힌지의 탄성 변형에 의해 평형점을 찾게 되므로 전혀 문제가 되지 않는다.

아래의 식은 본 발명의 탄성 힌지모듈의 증폭율 계산을 위한 식을 나타낸다.

위의 적용예에서, d = 0.5c(모션입력지점이 중간지점인 경우), b = 2a, a = c 인 경우 증폭율은 약 8.2배로 계산된다.

유한요소해석패키지에 의한 시뮬레이션 결과인 8배와 거의 일치함을 보여준다.

이상에서와 같이 본 발명에서 제공하는 2단 직렬 L자형 탄성 레버구조의 힌지모듈은 모션증폭율을 일자형이나 단일 L자형에 비해 보다 높게 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 보다 작은 압전구동기 액추에이터를 사용할 수 있어 비용절감효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 액추에이터, 탄성 힌지모듈, 스테이지 가동부의 각각의 모듈화를 통해 재활용성을 증가시키고 가공 및 수정을 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 상부 L자형 레버(17)와 하부 L자형 레버(18)가 위아래 나란하게 배치되면서 서로의 한쪽 끝은 제2탄성힌지(19)로 연결되고, 상기 상부 L자형 레버(17)의 꺽임부위와 하부 L자형 레버(18)의 시작점은 제1탄성힌지(20)와 제3탄성힌지(21)에 의해 고정부(14)의 양쪽에 각각 연결되어 하부 L자형 레버(18)가 입력이, 상부 L자형 레버(17)가 출력이 되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로나노모션을 위한 탄성 힌지모듈.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 상부 L자형 레버(17)와 하부 L자형 레버(18)는 L자형태의 꺽임부위가 서로 좌우로 반대쪽에 놓이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로나노모션을 위한 탄성 힌지모듈.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 하부 L자형 레버(18)는 L자형태의 시작점과 끝점을 이은 삼각형 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로나노모션을 위한 탄성 힌지모듈.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하부 L자형 레버(18)는 레버 몸체를 수평으로 관통하는 액추에이터 연결부(22)를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로나노모션을 위한 탄성 힌지모듈.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 제1탄성힌지(20), 제2탄성힌지(19) 및 제3탄성힌지(21)는 놋치형상의 반원형 탄성힌지로 되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로나노모션을 위한 탄성 힌지모듈.

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