KR100799367B1 - 4축 스테이지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 X축, Y축, Z축, θ축 운동이 가능한 4축 스테이지 시스템에 관한 것으로서, X축 레일을 따라 X축 방향으로 직선왕복운동을 하는 X축 스테이지를 갖는 X축 운동장치; 상기 X축 스테이지에 설치된 Y축 레일을 따라 Y축 방향으로 직선왕복운동을 하는 Y축 스테이지를 갖는 Y축 운동장치; 수평운동을 수직운동으로 바꿀 수 있도록 상기 Y축 스테이지에 설치되고, 전후진하는 전후진 캠의 경사면을 따라 승하강하는 승하강 캠에 설치되어 승하강운동을 하는 Z축 스테이지를 갖는 Z축 운동장치; 및 상기 Z축 스테이지에 설치된 회전축을 따라 θ축 방향으로 회전운동을 하는 θ축 스테이지를 갖는 θ축 운동장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하기 때문에 전후진 캠과 승하강 캠을 설치하여 전후진 운동을 승하강 운동으로 바꿈으로써 무거운 하중의 물체도 들어올릴 수 있는 기동력과 힘 및 장치의 견고성을 향상시킬 수 있으며, 장치가 안정되게 고정될 수 있고, 최적의 용량으로 최소의 공간에 제품을 설치할 수 있으며, 무거운 물체로부터 수직 하중이 전달되더라도 하중이 나사봉이나 모터에 직접 전달되지 않기 때문에 장치에 무리를 주기 않아서 Z축 운동장치의 내구성과 동작성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 3축 이외에 θ축 방향으로의 운동을 가능하게 하는 효과를 갖는다.

Description

4축 스테이지 시스템{4 axis stage system}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 4축 스테이지 시스템을 개략적으로 나타내는 정면도이다.

도 2는 도 1의 4축 스테이지 시스템의 Z축 운동장치를 확대하여 나타내는 부분 단면도이다.

도 3은 도 1의 사시도이다.

(도면의 주요한 부호에 대한 설명)

1: X축 레일 2: X축 스테이지

3: X축 리니어모터 4: Y축 레일

5: Y축 스테이지 6: Y축 리니어모터

7: 전후진 캠 8: 경사면

9: 승하강 캠 10: Z축 스테이지

11: 나사봉 12: 전후진 회전모터

13: 전후진 레일 14: 나사홀

15: 승하강 레일 16: 회전축

17: θ축 스테이지 18: θ축 회전모터

본 발명은 4축 스테이지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 X축, Y축, Z축, θ축 운동이 가능한 4축 스테이지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 각종 공작기계나 이송설비나 반도체 장비나 로봇팔 등 X축 방향으로의 움직임과, Y축 방향으로의 움직임과, Z축 방향(승하강방향)으로의 움직임 등 다양한 방향으로의 움직임이 가능한 3축 스테이지 시스템이 널리 사용되고 있다.

이러한 3축 스테이지는 각 축마다 리니어 모터를 이용한 직선왕복운동장치를 이용하거나, 회전모터를 이용하여 회전하는 나사봉이 스테이지를 그대로 관통하여 스테이지를 전후진시키는 나사전후진방식의 직선왕복운동장치를 이용하거나, 피스톤 및 실린더를 구비하여 이루어지는 각종 유압장치를 이용하는 등 매우 다양하게 개발되어 사용되고 있다.

특히, 이러한 종래의 3축 스테이지 시스템은, 중력의 영향력이 적은 수평방향으로의 움직임, 즉, X축 방향 및 Y축 방향으로 하중보다는 중력의 영향력을 많이 받는 Z축 방향으로의 하중이 더욱 심하게 작용하는 것으로서, 이러한 Z축 방향의 운동장치는 많은 기동력과 힘 및 장치의 견고성이 요구된다.

그러나, 종래의 3축 스테이지 시스템에서는 통상적으로, 리니어모터를 수직으로 세워서 Z축 운동장치에 적용하거나 역시 나사봉을 세워서 스테이지가 나사봉을 따라 승하강하도록 형성하는 등 기존의 X축, Y축 운동장치를 그대로 방향만 바 꾸어 사용하기에는 그 기동력과 힘 및 장치의 견고성이 떨어져서 Z축 방향으로 무거운 하중의 물체를 들어 올리는 것이 어려웠었던 문제점이 있었다.

또한, 이러한 리니어모터나 나사봉 등을 세워서 Z축 운동장치를 구동하기에는 구조적으로 리니어모터나 나사봉을 수직으로 고정시키는 것이 불안정하여 이를 보완하고자 장치가 매우 비대해지고, 제품이 차지하는 공간이 매우 넓어지는 문제점이 있었다.

또한, 무거운 물체로부터 전달되는 하중이 수직 하방으로 설치되는 기존의 장치에 큰 무리를 주기 때문에 Z축 운동장치의 내구성과 동작성능을 크게 떨어뜨리는 문제점이 있었다.

한편, 종래의 3축 스테이지 시스템은, 반도체 웨이퍼 등을 운반할 때, 웨이퍼의 안착 각도를 조절할 수 있는 θ축 방향(회전 방향; Theta axis)으로의 운동이 불가능했었던 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, Z축 운동장치에 서로 경사 대응하는 전후진 캠과 승하강 캠을 설치하여 전후진 운동을 승하강 운동으로 바꿈으로써 무거운 하중의 물체도 들어올릴 수 있는 기동력과 힘 및 장치의 견고성을 향상시킬 수 있게 하는 4축 스테이지 시스템을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 모터가 수직 방향으로 세워지는 것이 아니라 수평방향으로 누울 수 있기 때문에 장치가 안정되게 고정될 수 있고, 최적의 용량으로 최소의 공간에 제품을 설치할 수 있게 하는 4축 스테이지 시스템을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 무거운 물체로부터 수직 하중이 전달되더라도 하중이 나사봉이나 모터에 직접 전달되지 않기 때문에 장치에 무리를 주기 않아서 Z축 운동장치의 내구성과 동작성능을 크게 향상시킬 수 있게 하는 4축 스테이지 시스템을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 3축 이외에 θ축 방향으로의 운동을 가능하게 하는 4축 스테이지 시스템을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 4축 스테이지 시스템은, X축 레일을 따라 X축 방향으로 직선왕복운동을 하는 X축 스테이지를 갖는 X축 운동장치; 상기 X축 스테이지에 설치된 Y축 레일을 따라 Y축 방향으로 직선왕복운동을 하는 Y축 스테이지를 갖는 Y축 운동장치; 수평운동을 수직운동으로 바꿀 수 있도록 상기 Y축 스테이지에 설치되고, 전후진하는 전후진 캠의 경사면을 따라 승하강하는 승하강 캠에 설치되어 승하강운동을 하는 Z축 스테이지를 갖는 Z축 운동장치; 및 상기 Z축 스테이지에 설치된 회전축을 따라 θ축 방향으로 회전운동을 하는 θ축 스테이지를 갖는 θ축 운동장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 X축 스테이지는 X축 리니어모터에 의해 직선왕복운동을 하고, 상기 Y축 스테이지는 Y축 리니어모터에 의해 직선왕복운동을 하며, 상기 Z축 스테이지의 승하강 캠은 상기 승하강 캠과 경사 대응하는 전후진 캠을 전후진시키는 전후진 장치에 의해 승하강 레일을 따라 승하강운동을 하고, 상기 θ축 스테이지는 θ 축 회전모터에 의해 회전운동을 할 수 있다.

또한, 상기 전후진 캠을 전후진시키는 전후진 장치는, 상기 전후진 캠이 전후진 레일을 따라 전후진이 가능하도록 상기 전후진 캠을 관통하여 형성되는 나사홀과 나사물림되는 나사봉; 및 상기 나사봉을 회전시키는 전후진 회전모터;를 포함하여 이루어지거나, 상기 전후진 캠을 전후진시키는 전후진 장치는 상기 전후진 캠이 전후진 레일을 따라 전후진이 가능하도록 상기 전후진 캠과 연결되는 피스톤; 및 내부의 유체압력을 이용하여 상기 피스톤을 신장, 수축시키는 실린더;를 포함하여 이루어지는 것이 가능하다.

한편, 본 발명의 4축 스테이지 시스템은, 상기 X축 스테이지의 위치를 감지하여 X축 위치신호를 인가하는 X축 위치감지센서; 상기 Y축 스테이지의 위치를 감지하여 Y축 위치신호를 인가하는 Y축 위치감지센서; 상기 Z축 스테이지의 위치를 감지하여 Z축 위치신호를 인가하는 Z축 위치감지센서; 상기 θ축 스테이지의 회전각도를 감지하여 θ축 각도신호를 인가하는 θ축 각도감지센서; 및 상기 X축 위치감지센서, Y축 위치감지센서, Z축 위치감지센서 및 θ축 각도감지센서로부터 각각 상기 신호를 인가받아 상기 X축 리니어모터, Y축 리니어모터, 상기 전후진 장치 및 θ축 회전모터에 제어신호를 인가하는 제어부;를 더 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 4축 스테이지 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 4축 스테이지 시스템은, 크게 X축 운동장치와, Y축 운동장치와, Z축 운동장치 및 θ축 운동장치를 포함하여 이루어지는 구성이다.

즉, 상기 X축 운동장치는, X축 레일(1)을 따라 X축 방향으로 직선왕복운동을 하는 X축 스테이지(2)를 갖는 것으로서, 상기 X축 스테이지(2)가 직선왕복운동을 할 수 있도록 X축 리니어모터(3)가 설치된다.

또한, 상기 Y축 운동장치는, 상기 X축 스테이지(2)에 설치된 Y축 레일(4)을 따라 Y축 방향으로 직선왕복운동을 하는 것으로서, 상기 Y축 스테이지(5)가 직선왕복운동을 할 수 있도록 Y축 리니어모터(6)가 설치된다.

특히, 본 발명의 Z축 운동장치는, 수평운동을 수직운동으로 바꿀 수 있도록 상기 Y축 스테이지(5)에 설치되고, 전후진하는 전후진 캠(7)의 경사면(8)을 따라 승하강하는 승하강 캠(9)에 설치되어 승하강운동을 하는 Z축 스테이지(10)를 갖는 것이다.

또한, 이러한 상기 Z축 운동장치는, 상기 Z축 스테이지(10)의 승하강 캠(9)이 상기 승하강 캠(9)과 경사 대응하는 전후진 캠(7)을 전후진시키는 전후진 장치를 구비하여 이루어진다.

여기서, 이러한 상기 전후진 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 나사봉(11) 및 회전모터(12)를 포함하여 이루어지는 구성이다.

즉, 상기 나사봉(11)은, 상기 전후진 캠(7)이 전후진 레일(13)을 따라 전후진이 가능하도록 상기 전후진 캠(7)을 관통하여 형성되는 나사홀(14)과 나사물림되는 것이다.

또한, 상기 회전모터(12)는, 상기 나사봉(11)을 정/역회전으로 회전시키는 것으로서, 상기 회전모터(12)에서 발생된 회전력이 상기 나사봉(11)으로 전달되고, 상기 나사봉(11)의 회전력에 의해 상기 전후진 캠(7)의 전후진이 가능한 것이다.

따라서, 상기 전후진 캠(7)이 전후진할 때, 상기 승하강 캠(9)은 상기 전후진 캠(7)과 경사면(8) 접촉하여 경사 대응하고 있기 때문에 상기 전후진 캠(7)의 전진시 상기 전후진 캠(7)에 의해 밀려 올라갈 수 있는 것이다.

또한, 상기 전후진 캠(7)의 후진시에는 중력에 의해 자동으로 하강할 수 있기 때문에 상기 나사봉(11)의 회전각도에 따라 매우 정밀한 제어가 가능하고, 상기 나사봉(11)의 나사 비틀림을 직선왕복운동으로 바꾸는 승하강 캠(9)에 의해 비교적 큰 힘으로 상기 승하강 캠(9)이 승하강 레일(15)을 따라 상승할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명의 상기 θ축 운동장치는, 상기 Z축 스테이지(10)에 설치된 회전축(16)을 따라 θ축 방향으로 회전운동을 하는 θ축 스테이지(17)를 갖는 것으로서, 상기 θ축 스테이지(17)가 회전운동을 할 수 있도록 θ축 회전모터(18)가 설치된다.

한편, 본 발명의 상기 전후진 캠을 전후진시키는 전후진 장치는, 반드시 나사봉(11)을 구비하여 이루어지는 것이 아니라, 상기 전후진 캠(7)이 전후진 레일(13)을 따라 전후진이 가능하도록 상기 전후진 캠(7)과 연결되는 피스톤(도시하지 않음) 및 내부의 유체압력을 이용하여 상기 피스톤을 신장, 수축시키는 실린더(도시하지 않음)를 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

이외에도, 도시하진 않았지만, 본 발명의 4축 스테이지 시스템은, 상기 X축 스테이지(2)의 위치를 감지하여 X축 위치신호를 인가하는 X축 위치감지센서와, 상기 Y축 스테이지(5)의 위치를 감지하여 Y축 위치신호를 인가하는 Y축 위치감지센서와, 상기 Z축 스테이지(10)의 위치를 감지하여 Z축 위치신호를 인가하는 Z축 위치감지센서와, 상기 θ축 스테이지(17)의 회전각도를 감지하여 θ축 각도신호를 인가하는 θ축 각도감지센서 및 상기 X축 위치감지센서, Y축 위치감지센서, Z축 위치감지센서 및 θ축 각도감지센서로부터 각각 상기 신호를 인가받아 상기 X축 리니어모터, Y축 리니어모터, 상기 전후진 장치 및 θ축 회전모터에 제어신호를 인가하는 제어부를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 이러한 상기 X축 위치감지센서와, Y축 위치감지센서와, Z축 위치감지센서와, θ축 각도감지센서는, 각 스테이지의 이동 시작점과 이동 끝점 등에 위치하여 각 스테이지의 위치를 감지하고, 시작 각도와 끝난 각도를 감지하는 각종 다양한 형태의 센서가 설치될 수 있는 것으로서, 이러한 센서들에 대한 기술은 이미 공지되어 널리 상용화된 기술로서, 여기서 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 해치지 않는 범위 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.

예컨대, 본 발명의 실시예에서는 각종 전기배선이나 부가 장치 등은 생략한 것으로서, 다양한 부가 장치가 설치될 수 있고, 본 발명의 X축 운동장치와, Y축 운동장치와, Z축 운동장치 및 θ축 운동장치 등의 형태나 종류 및 구조는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 분야에 종사하는 당업자에 있어 수정 및 변경이 가능한 것이다.

따라서, 본 발명에서 권리를 청구하는 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 후술되는 청구범위와 이의 기술적 사상에 의해 한정될 것이다.

이상에서와 같이 본 발명의 4축 스테이지 시스템에 의하면, 전후진 캠과 승하강 캠을 설치하여 전후진 운동을 승하강 운동으로 바꿈으로써 무거운 하중의 물 체도 들어올릴 수 있는 기동력과 힘 및 장치의 견고성을 향상시킬 수 있으며, 장치가 안정되게 고정될 수 있고, 최적의 용량으로 최소의 공간에 제품을 설치할 수 있으며, 무거운 물체로부터 수직 하중이 전달되더라도 하중이 나사봉이나 모터에 직접 전달되지 않기 때문에 장치에 무리를 주기 않아서 Z축 운동장치의 내구성과 동작성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 3축 이외에 θ축 방향으로의 운동을 가능하게 하는 효과를 갖는 것이다.

Claims (5)

1. X축 레일을 따라 X축 방향으로 직선왕복운동을 하는 X축 스테이지를 갖는 X축 운동장치;

   상기 X축 스테이지에 설치된 Y축 레일을 따라 Y축 방향으로 직선왕복운동을 하는 Y축 스테이지를 갖는 Y축 운동장치;

   수평운동을 수직운동으로 바꿀 수 있도록 상기 Y축 스테이지에 설치되고, 전후진하는 전후진 캠의 경사면을 따라 승하강하는 승하강 캠에 설치되어 승하강운동을 하는 Z축 스테이지를 갖는 Z축 운동장치; 및

   상기 Z축 스테이지에 설치된 회전축을 따라 θ축 방향으로 회전운동을 하는 θ축 스테이지를 갖는 θ축 운동장치;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 4축 스테이지 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 X축 스테이지는 X축 리니어모터에 의해 직선왕복운동을 하고,

   상기 Y축 스테이지는 Y축 리니어모터에 의해 직선왕복운동을 하며,

   상기 Z축 스테이지의 승하강 캠은 상기 승하강 캠과 경사 대응하는 전후진 캠을 전후진시키는 전후진 장치에 의해 승하강 레일을 따라 승하강운동을 하고,

   상기 θ축 스테이지는 θ축 회전모터에 의해 회전운동을 하는 것을 특징으로 하는 4축 스테이지 시스템.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 전후진 캠을 전후진시키는 전후진 장치는 상기 전후진 캠이 전후진 레일을 따라 전후진이 가능하도록 상기 전후진 캠을 관통하여 형성되는 나사홀과 나사물림되는 나사봉; 및 상기 나사봉을 회전시키는 전후진 회전모터;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 4축 스테이지 시스템.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 전후진 캠을 전후진시키는 전후진 장치는 상기 전후진 캠이 전후진 레일을 따라 전후진이 가능하도록 상기 전후진 캠과 연결되는 피스톤; 및 내부의 유체압력을 이용하여 상기 피스톤을 신장, 수축시키는 실린더;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 4축 스테이지 시스템.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 X축 스테이지의 위치를 감지하여 X축 위치신호를 인가하는 X축 위치감지센서;

   상기 Y축 스테이지의 위치를 감지하여 Y축 위치신호를 인가하는 Y축 위치감지센서;

   상기 Z축 스테이지의 위치를 감지하여 Z축 위치신호를 인가하는 Z축 위치감지센서;

   상기 θ축 스테이지의 회전각도를 감지하여 θ축 각도신호를 인가하는 θ축 각도감지센서; 및

   상기 X축 위치감지센서, Y축 위치감지센서, Z축 위치감지센서 및 θ축 각도감지센서로부터 각각 상기 신호를 인가받아 상기 X축 리니어모터, Y축 리니어모터, 상기 전후진 장치 및 θ축 회전모터에 제어신호를 인가하는 제어부;

   를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 4축 스테이지 시스템.

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