KR100904720B1 - Redendantly actuated 3 degree of freedom nano positioning stage using 4 precision transfer mechanism - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피에조 액추에이터의 나노 단위의 정밀한 제어와 서보 모터를 이용한 충분한 이동량을 동시에 구현하여, 대면적 스테이지에 적용할 수 있는 미세 이송 기구와 이를 이용한 초정밀 스테이지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는, 고정단에 배치된 서보 모터; 상기 서보 모터에 의해 구동되어 일 방향으로 이송되는 제1 리니어 가이드; 상기 제1 리니어 가이드에 배치되어 상기 제1 리니어 가이드의 이송 방향에 나란한 방향으로 미세 변위를 발생시키는 피에조 액추에이터; 및 상기 피에조 액추에이터의 단부에 배치되어 상기 서보 모터 및 상기 피에조 액추에이터가 발생시키는 변위에 의해 상기 고정단에 대해 일 방향으로 이동 가능한 제2리니어 가이드를 포함하는 미세 이송 기구와, 이를 이용한 초정밀 스테이지를 제공한다. An object of the present invention is to provide a fine transfer mechanism that can precisely control a nano unit of a piezo actuator and a sufficient amount of movement using a servo motor to be applied to a large area stage and an ultra precision stage using the same. To this end, the present invention provides a servo motor comprising: a servo motor disposed at a fixed end; A first linear guide driven by the servo motor and fed in one direction; A piezoelectric actuator disposed in the first linear guide and generating fine displacement in a direction parallel to a conveying direction of the first linear guide; And a second linear guide disposed at an end of the piezoelectric actuator and movable in one direction relative to the fixed end by displacement generated by the servo motor and the piezoelectric actuator, and an ultra precision stage using the fine linear motion mechanism do.

피에조 액추에이터, 서보 모터, 4축 스테이지, 1단 스테이지 Piezo actuator, servo motor, 4-axis stage, 1 stage

Description

4개의 미세 이송 기구를 이용한 과구동 3자유도 초정밀 스테이지{Redendantly actuated 3 degree of freedom nano positioning stage using 4 precision transfer mechanism}[0001] The present invention relates to a three-degree-of-freedom three-degree-of-freedom precise stage using four fine transfer mechanisms,

본 발명은 미세 이송 기구 및 이를 이용한 초정밀 스테이지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스트로크가 크면서도 나노 단위의 정밀한 위치 제어가 가능한 미세 이송 기구와 이를 이용한 3자유도 초정밀 스테이지에 관한 것이다. The present invention relates to a micro transfer mechanism and an ultra precision stage using the same, and more particularly, to a micro transfer mechanism capable of precise position control of a nano unit while having a large stroke, and a three-degree-of-freedom ultra precision stage using the same.

본 발명은 서울특별시 및 국민대학교 산학협력단의 서울시 산학연 협력사업(기술기반 구축사업)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.The present invention is derived from a research carried out by Seoul Metropolitan Government and Kookmin University's Industry-Academy Collaboration Center as part of the Seoul Industry-Academia Collaboration Project (Technology Infrastructure Development Project).

[과제관리번호: 10583, 과제명: 나노공정 기술 및 장비개발 산학연 혁신 클러스터][Project number: 10583, Project title: Nano process technology and equipment development industry-university innovation cluster]

최근 반도체 기술의 발달, 그리고 MEMS(Micro ElectroMechanical System)로 대별되는 마이크로 시스템 테크놀로지의 발달과 함께, 반도체 웨이퍼, LCD 등의 검사용 장비 또는 MEMS 디바이스를 제작하거나 조작하기 위한 각종 설비의 이송 기구를 포함하여 초정밀 스테이지에 대한 연구 개발에 대한 필요성이 크게 증가하고 있다. 반도체 공정이나 MEMS 디바이스와 관련된 이송 기구와 초정밀 스테이지는 고속으로 서브 마이크론, 더 나아가 나노 단위의 정밀도와 더불어 비교적 대행 정(long stroke)의 구동 범위가 요구된다. Recent developments in semiconductor technology and the development of micro-system technology (MEMS) have resulted in the development of inspection equipment such as semiconductor wafers, LCDs, and various facilities for manufacturing or operating MEMS devices The need for research and development on super precision stages is increasing significantly. Transport mechanisms and ultra precision stages associated with semiconductor processes and MEMS devices require a sub-micron at a high speed, a precision of a nanometer unit, and a relatively long-stroke drive range.

고속, 초정밀, 대행정의 성능을 구현하기 위해서 근래에 서보 모터로 구동되는 3축 또는 4축의 스테이지, 피에조 액추에이터(piezo actuator)를 이용한 스테이지, 1단은 서보 모터로 구동되고 2단은 피에조 액추에이터로 제어되는 2단의 스테이지 등이 개발 및 연구되고 있다. In order to realize high-speed, ultra-precise and representative definition performance, a three-axis or four-axis stage driven by a servomotor, a stage using a piezo actuator, a stage driven by a servomotor, and a stage driven by a piezo actuator And the like are being developed and studied.

서보 모터로만 구동되는 스테이지의 경우에는 제어되는 X축, Y축 방향의 이동량이 마이크로 단위로 정도까지는 정밀하기는 하지만 서브마이크로 수준의 대면적의 정렬을 위한 스테이지에는 적합하지 않으며, 피에조 액추에이터만을 이용한 형태는 X축, Y축 방향의 이동량에 대해 1nm 내지 10nm 정도 범위의 제어가 가능하지만 최대 이동량 및 회전량의 범위가 대략 50nm 내지 100㎛ 정도여서 X축, Y축 방향의 이동량이 작은 문제점이 있다. 물론, 특정 방향으로의 이동량 외에 회전 각도를 고려한 이동량에 대해서도 이와 유사한 범위에 속한다. In the case of a stage driven only by the servomotor, it is not suitable for the stage for alignment of a large area at the sub micro level although the movement amount in the controlled X axis and Y axis direction is precise to the extent of the micrometer unit. It is possible to control the range of about 1 nm to 10 nm with respect to the movement amount in the X and Y axis directions, but the range of the maximum movement amount and the rotation amount is about 50 nm to 100 mu m so that the amount of movement in the X and Y axis directions is small. Of course, the movement amount in consideration of the rotation angle in addition to the movement amount in the specific direction belongs to the similar range.

또한, 피에조 액추에이터만을 사용하는 경우에는 스테이지에 놓인 물체의 무게가 작아야 정밀한 이송이 가능한 문제점이 있다. 초정밀 스테이지의 여러 가지 용도 중, 계측 장비의 초정밀 이송을 위해 사용되는 경우를 고려하면, 피에조 액추에이터만을 사용하는 경우에는 조사해 본 결과 최대 10kg의 무게 정도만을 싣고 이동이 가능하다. 그러나, 초정밀 스테이지가 대면적인 경우 패널 고정부의 무게나 레이저 인터페로미터(laser interferometer)를 이용한 계측장비를 포함하면 30kg이상이 되므로 정밀한 구동을 할 수 없는 문제점이 있었다. Further, in the case of using only the piezo actuator, the weight of the object placed on the stage must be small enough to allow precise feeding. Considering the case of being used for ultra precise transfer of measurement equipment among various applications of ultra-precision stage, in the case of using only piezo actuator, it is possible to carry only the weight of up to 10 kg as a result of irradiation. However, when the ultra-precision stage is used in a large area, the weight of the panel fixing part and the measurement equipment using the laser interferometer are more than 30 kg, so that the precision driving can not be performed.

다른 예로서, 제1단을 서보모터 구동부로 구현하고 그 위에 제2단을 피에조 액추에이터를 이용한 경우에는 위에서와 같은 여러 문제점을 어느 정도 해결할 수는 있었지만, 2단으로 구성되므로 장비가 복잡해지고 장비의 용적이 커지는 문제점이 있었다. 또한, 스테이지를 직접적으로 구동하지 않고 간접적으로 구동하게 되므로 힘의 전달이나 스테이지를 구성하는 여러 부재의 대한 강성이 정밀도에 영향을 미치는 중요한 인자로 대두되어 초정밀 제어에 어려움이 있었다. As another example, if the first stage is implemented as a servo motor drive unit and the second stage is used as a piezo actuator, it is possible to solve various problems as described above. However, since the apparatus is composed of two stages, There is a problem that the volume increases. In addition, since the stage is indirectly driven without being directly driven, the rigidity of various members constituting the transmission of the force or the stage is an important factor affecting the precision, which makes it difficult to control the ultra precise.

본 발명은 상기한 문제점을 포함한 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 피에조 액추에이터의 나노 단위의 정밀한 제어와 서보 모터를 이용한 충분한 이동량을 동시에 구현하여, 대면적 스테이지에 적용할 수 있는 미세 이송 기구와 이를 이용한 초정밀 스테이지를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a piezoelectric actuator capable of precisely controlling a nano unit of a piezo actuator and a sufficient amount of movement using a servo motor, And an object of the present invention is to provide an apparatus and an ultra precision stage using the same.

상기와 같은 본 발명의 목적은, According to an aspect of the present invention,

고정단에 배치된 서보 모터; A servo motor disposed at a fixed end;

상기 서보 모터에 의해 구동되어 일 방향으로 이송되는 제1 리니어 가이드; A first linear guide driven by the servo motor and fed in one direction;

상기 제1 리니어 가이드에 배치되어 상기 제1 리니어 가이드의 이송 방향에 나란한 방향으로 미세 변위를 발생시키는 피에조 액추에이터; 및 A piezoelectric actuator disposed in the first linear guide and generating fine displacement in a direction parallel to a conveying direction of the first linear guide; And

상기 피에조 액추에이터의 단부에 배치되어 상기 서보 모터 및 상기 피에조 액추에이터가 발생시키는 변위에 의해 상기 고정단에 대해 일 방향으로 이동 가능한 제2리니어 가이드를 포함하는 미세 이송 기구를 제공함으로써 달성된다. And a second linear guide disposed at an end of the piezoelectric actuator and movable in one direction relative to the fixed end by a displacement generated by the servo motor and the piezoelectric actuator.

여기서, 상기 피에조 액추에이터의 중심축과 상기 서보 모터의 회전축은 동축을 형성하면서, 상기 피에조 액추에이터는 상기 제1 리니어 가이드의 이송 방향으로 직렬로 배치될 수 있다. Here, the central axis of the piezo actuator and the rotational axis of the servo motor form coaxial axes, and the piezo actuator may be arranged in series in the transport direction of the first linear guide.

여기서, 상기 피에조 액추에이터는 상기 제1 리니어 가이드 상에 배치될 수 있다. Here, the piezo actuator may be disposed on the first linear guide.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, According to another aspect of the present invention,

앞서 언급된 여러 미세 이송 기구 중 어느 한 종류의 미세 이송 기구 네 개가 정사각형을 이루면서 배치된 베이스 플레이트; A base plate in which four fine transfer mechanisms of any one of the above-mentioned fine transfer mechanisms are arranged in a square;

상기 베이스 플레이트와 평행하게 배치되는 작동 플레이트; An operating plate disposed in parallel with the base plate;

상기 네 개의 미세 이송 기구 각각의 제2 리니어 가이드 상에 배치되고, 상기 제2 리니어 가이드의 가이드 방향과 교차하는 방향으로 작동하는 제3 리니어 가이드; 및 A third linear guide arranged on a second linear guide of each of the four fine feed mechanisms and operating in a direction crossing the guide direction of the second linear guide; And

상기 각각의 제3 리니어 가이드 상에 배치되고, 상기 작동 플레이트가 상기 제3 리니어 가이드 상에서 회동할 수 있도록 지지하는 선회 베어링들을 포함하는 초정밀 스테이지를 제공함으로써 달성된다. And a pivoting bearing disposed on each of the third linear guides and supporting the actuating plate so as to be rotatable on the third linear guide.

여기서, 상기 네 개의 미세 이송 기구는 인접한 미세 이송 기구들 간에 일측의 고정단과 타측의 자유단이 서로 인접하도록 배치될 수 있다. Here, the four fine transfer mechanisms may be arranged such that one fixed end and the other free end are adjacent to each other between adjacent fine transfer mechanisms.

여기서, 상기 작동 플레이트의 상측에는 레이저 어댑터와 글라스 고정부가 설치될 수 있다. Here, a laser adapter and a glass fixing unit may be provided above the operation plate.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 서보 모터와 피에조 액추에이터를 연속적으로 배치하여 이송 기구의 행정(stroke) 범위를 확대함과 동시에 나노 단위의 정밀한 움직임이 가능한 미세 이송 기구를 제공할 수 있다. As described above, according to the present invention, it is possible to provide a fine feed mechanism capable of increasing the stroke range of the feed mechanism and precisely moving the nano unit by disposing the servo motor and the piezo actuator continuously.

또한, 본 발명에서는 한 방향으로 대행정의 운동과 미세 운동의 구현이 가능한 미세 이송 기구 4개를 정사각형 형태로 배열하여 3자유도 운동이 가능한 스테이지를 구현하였는데, 이러한 스테이지에서는 액추에이터의 개수가 기구부에 의해 구현되는 자유도에 비해 많기 때문에, 백래쉬(back lash)의 영향을 제거하여 더욱 정밀한 나노 단위의 제어가 가능한 초정밀 스테이지를 제공할 수 있다. Also, in the present invention, four micro-transfer mechanisms capable of realizing a positive definite motion and a fine motion in one direction are arranged in a square form to realize a stage capable of three degrees of freedom motion. In this stage, the number of actuators is Since the number of degrees of freedom is greater than the degree of freedom to be implemented, it is possible to provide an ultra-precise stage capable of controlling the nano unit more precisely by eliminating the influence of backlash.

또한, 스테이지에 적용된 미세 이송 기구의 대행정 및 미세 운동을 구현할 수 있는 특징은 그대로 스테이지에서도 적용되어, 총 이동량은 기존의 서보 모터를 이용한 스테이지 모델만큼 움직일 수 있으며, 서보 모터와 피에조 액추에이터를 2단으로 이용한 모델에 비해서도 장치의 구성이 간소화되고, 직접적인 구동이 가능하여 힘의 전달이나 제어가 용이하게 되는 장점을 가진다. In addition, the characteristics that can realize the large stroke and fine motion of the micro transfer mechanism applied to the stage are applied to the stage as it is, and the total movement amount can be moved by the stage model using the conventional servo motor, and the servo motor and the piezo actuator The structure of the device is simplified compared to the model used in the first embodiment, and direct drive is possible, which makes it easy to transfer and control the force.

이하에서는 본 발명에 따른 미세 이송 기구 및 이를 이용한 초정밀 스테이지를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a fine transfer mechanism according to the present invention and an ultra-precision stage using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에는 본 발명에 따른 미세 이송 기구의 실시예1의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다. Fig. 1 is a schematic view showing a configuration of Embodiment 1 of the fine transfer mechanism according to the present invention.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 미세 이송 기구의 실시예1(100)은 서보 모터(2), 제1 리니어 가이드(6), 피에조 액추에이터(8) 및 제2 리니어 가이 드(12)를 포함한다. 1, a first embodiment 100 of a fine transfer mechanism according to the present invention includes a servo motor 2, a first linear guide 6, a piezo actuator 8, and a second linear guide 12 ).

상기 서보 모터(2)는 소정의 두께를 가지는 베이스 플레이트(7) 상에 고정되어 설치된다. 상기 서보 모터에는 서보 모터의 회전축의 회전 각도를 센싱할 수 있도록 엔코더(1)가 설치될 수 있다. 상기 서보 모터의 회전축은 커플링(3)에 의해 상기 제1 리니어 가이드를 구동하는 볼스크류(5)의 회전축과 연결될 수 있다. 상기 서보 모터는 소정의 베이스 플레이트 상에 고정되어 배치되고, 상기 볼스크류의 회전축에서 상기 서보 모터와 연결되는 쪽 단부는 상기 베이스 플레이트 상에 설치된 고정단(4) 내측의 베어링에 의해 지지될 수 있다. The servo motor 2 is fixedly mounted on a base plate 7 having a predetermined thickness. The servo motor may be provided with an encoder 1 for sensing the rotation angle of the rotation axis of the servo motor. The rotation axis of the servo motor can be connected to the rotation axis of the ball screw 5 that drives the first linear guide by a coupling 3. The servo motor may be fixedly disposed on a predetermined base plate and an end of the ball screw connected to the servo motor may be supported by a bearing inside a fixed end 4 provided on the base plate .

상기 제1 리니어 가이드(6)는 상기 서보 모터의 회전에 의해 직접 구동되는 것으로, 고정부(6b)와 이동부(6a)를 포함한다. 본 발명에 사용되는 제1 리니어 가이드는 상용품 중에서 선택될 수 있는 부재로서, 비교적 큰 중량에 대해서도 정밀도를 유지할 수 있는 THK 주식회사의 크로스 롤러 테이블이 사용될 수 있다. 크로스 롤러 테이블은 이동부와 고정부 사이에 배치되는 한 쌍의 크로스 롤러 가이드를 구비하고, 각각의 크로스 롤러 가이드에는 윤활 부재로 구(球)가 아닌 실린더 형상의 롤러가 사용된다. 사용되는 롤러는 복수 개가 조밀하게 배치되는데, 특히 롤러들이 서로 직교하는 방향으로 배열되어 크로스 롤러 테이블에 가해지는 하중을 4방향으로 균등하게 받을 수 있는 것을 특징으로 한다. The first linear guide 6 is directly driven by the rotation of the servomotor and includes a fixed portion 6b and a moving portion 6a. The first linear guide used in the present invention may be a cross roller table of THK Co., Ltd. which is a member that can be selected from commercial products and which can maintain accuracy even for a relatively large weight. The cross roller table is provided with a pair of cross roller guides disposed between the moving portion and the fixed portion, and each of the cross roller guides is provided with a cylindrical roller, not a sphere, as a lubricant member. A plurality of rollers to be used are densely arranged, and in particular, the rollers are arranged in directions orthogonal to each other, so that loads applied to the cross roller table can be uniformly received in four directions.

상기 피에조 액추에이터(8)는 전압의 인가에 따라 길이 방향으로 신장되거나 수축되는 부재로서, 나노 단위의 정밀한 제어가 가능한 부재이다. 상기 피에조 액추에이터는 상기 제1 리니어 가이드의 이동부에 고정되며, 상기 피에조 액추에이터 의 신장 방향과 상기 서보 모터에 의한 상기 제1 리니어 가이드의 이동 방향은 실질적으로 동일하다. The piezo actuator 8 is a member which is elongated or contracted in the longitudinal direction according to the application of a voltage, and is a member capable of precise control of the nano unit. The piezo actuator is fixed to the moving part of the first linear guide, and the extension direction of the piezo actuator and the moving direction of the first linear guide by the servomotor are substantially the same.

상기 제2 리니어 가이드(10)는 상기 제1 리니어 가이드와 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가지는 것으로, 고정부(10b)와 이동부(10a)를 구비한다. 다만, 상기 제2 리니어 가이드는 그 크기나 상세 치수 등은 제1 리니어 가이드와 다를 수 있다. The second linear guide 10 has substantially the same configuration and function as the first linear guide, and includes a fixed portion 10b and a moving portion 10a. However, the size and detailed dimensions of the second linear guide may be different from those of the first linear guide.

이상과 같은 구성을 가지는 미세 이송 기구(100)는 대행정의 빠른 이송이 필요할 때에는 서보 모터를 주로 구동하여 이송하고, 미세한 움직임의 이송이 필요할 때에는 피에조 액추에이터를 사용하여 이송함으로써, 대행정, 신속성, 고정밀도 등의 여러 가지 장점을 동시에 취할 수 있다. 또한, 피에조 액추에이터가 고정단 측이 아닌 자유단 측(미세 이송 운동을 하는 부분)에 배치되므로 피에조 액추에이터의 변형력에 의해 볼스크류의 이송 정밀도가 영향을 받지 않는 장점도 함께 취할 수 있다. The micro-feed mechanism 100 having the above-described configuration mainly drives and feeds the servomotor when a rapid feed of the proxy definition is required. When a minute movement is required, the feed is carried out using a piezo actuator, And the like can be taken at the same time. In addition, since the piezo actuator is disposed on the free end side (the portion for performing the fine feed motion) which is not the fixed end side, the feed accuracy of the ball screw is not affected by the deformation force of the piezo actuator.

도 2에는 본 발명에 따른 미세 이송 기구의 실시예2의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다. FIG. 2 is a schematic view showing a configuration of a second embodiment of a fine transfer mechanism according to the present invention.

도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 미세 이송 기구의 실시예2(100')는 서보 모터(2), 제1 리니어 가이드(6), 피에조 액추에이터(8) 및 제2 리니어 가이드(10)를 포함한다. 2, the second embodiment 100 'of the micro transfer mechanism according to the present invention includes a servo motor 2, a first linear guide 6, a piezo actuator 8, and a second linear guide 10 ).

도 2의 실시예2가 도 1의 실시예1과 다른 점은, 피에조 액추에이터(8)가 제1 리니어 가이드의 이동부(6a)에서 배치되는 위치가 다르다는 것이다. The second embodiment of FIG. 2 differs from the first embodiment of FIG. 1 in that the position of the piezo actuator 8 is different from that of the moving part 6a of the first linear guide.

즉, 도 1의 실시예1(100)에서는 제1 리니어 가이드의 이동부(6a)의 이동 방향 외측 단부에 배치되어 있지만, 도 2의 실시예2(100')에서는 제1 리니어 가이드의 이동부(6a)의 상측에 배치된다. 도 2에서 8b는 피에조 엑츄에이터가 고정되는 브래킷을 나타내고, 8a는 실제 길이 방향으로 신장 또는 수축하는 피에조 엑츄에이터를 나타낸다. That is, in Embodiment 1 (100) of FIG. 1, although it is disposed at the outer end of the moving portion 6a of the first linear guide in the moving direction, in Embodiment 2 (100 ') of FIG. 2, (6a). In Fig. 2, 8b denotes a bracket to which the piezo actuator is fixed, and 8a denotes a piezo actuator which extends or contracts in the actual longitudinal direction.

이와 같이 구성된 실시예2의 경우에도 실시예1과 같이 대행정, 신속성, 고정밀도 등의 여러 가지 장점을 얻을 수 있고, 피에조 액추에이터에 의한 볼스크류 정밀도의 악화를 예방할 수 있다. Also in the case of the second embodiment configured as described above, various advantages such as large stroke, quickness, and high precision can be obtained as in the first embodiment, and deterioration of the precision of the ball screw by the piezo actuator can be prevented.

이 외에도 실시예2의 미세 이송 기구를 이후에 설명할 초정밀 스테이지에 사용하는 경우를 포함하여 제2 리니어 가이드의 직 상부에 하중이 작용하는 경우에는 다음과 같은 장점을 가진다. 도 2에는 제2 리니어 가이드의 두께가 더 얇게 표시되어 있으나, 제2 리니어 가이드의 직 상부에 하중이 작용하는 경우에 있어서는 제2 리니어 가이드의 두께가 제1 리니어 가이드의 두께보다 두껍게 형성된다. 왜냐하면, 리니어 가이드 내부에 배치되는 볼이나 롤러 등의 윤활 부재의 크기 개수 등은 리니어 가이드가 지지할 수 있는 하중의 크기에 직접적으로 영향을 미치기 때문이다. 따라서, 지지할 수 있는 하중이 큰 리니어 가이드는 그 두께가 두꺼워지기 쉽다. 즉, 제2 리니어 가이드의 두께가 제1 리니어 가이드의 두께보다 더 두꺼워서 도 2와는 달리 제1 리니어 가이드 상부에는 피에조 엑츄에이터를 설치할 여유 공간이 있을 수 있다. 또한, 도 3 이하에 도시된 것과 같은 초정밀 스테이지에 실 시예2의 미세 이송 기구를 사용하는 경우라면, 제2 및 제3 리니어 가이드의 두께의 합에 의해 제1 리니어 가이드 상측에는 피에조 엑츄에이터를 설치할 공간을 확보하기 용이하다. 이와 같은 경우에 피에조 엑츄에이터를 제1 리니어 가이드의 상측에 설치하는 경우에는 미세 이송 기구의 상하 방향 폭을 증가시키지 않으면서 측방향 길이를 감소시킬 수 있게 된다. In addition, when the load acts on the upper portion of the second linear guide including the case of using the fine feed mechanism of the second embodiment in a super precision stage to be described later, the following advantages are obtained. In FIG. 2, the thickness of the second linear guide is thinner than the thickness of the first linear guide. However, when a load acts on the upper portion of the second linear guide, the thickness of the second linear guide is thicker than the thickness of the first linear guide. This is because the number of sizes of the lubrication member such as a ball or a roller disposed in the linear guide directly affects the magnitude of the load that can be supported by the linear guide. Therefore, the linear guide having a large load that can be supported tends to have a large thickness. That is, since the thickness of the second linear guide is thicker than the thickness of the first linear guide, unlike FIG. 2, there may be a space for installing the piezo actuator on the first linear guide. In the case where the fine feed mechanism of the second embodiment is used in the super precision stage as shown in Fig. 3 and subsequent figures, the sum of the thicknesses of the second and third linear guides causes a space . In this case, when the piezo actuator is provided on the upper side of the first linear guide, the length in the lateral direction can be reduced without increasing the vertical width of the fine feed mechanism.

도 3에는 본 발명에 따른 초정밀 스테이지의 구성을 보여주는 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3에 도시된 초정밀 스테이지의 측면도가 도시되어 있으며, 도 5에는 도 3 및 4에 도시된 초정밀 스테이지에서 움직임을 구현하는 기구부의 구성을 볼 수 있도록 상부 구조물을 제거한 상태의 사시도가 도시되어 있다. FIG. 3 is a perspective view showing the structure of the ultra-precision stage according to the present invention. FIG. 4 is a side view of the ultra-precision stage shown in FIG. The upper structure is removed so that the structure of the mechanism part can be seen.

도 3 내지 도 5에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 초정밀 스테이지는 베이스 플레이트(215), 상기 베이스 플레이트 상에 배치된 복수의 미세 이송 기구(110, 120, 130, 140) 및 작동 플레이트(210)를 포함한다. 3 to 5, the ultra-precision stage according to the present invention includes a base plate 215, a plurality of minute transfer mechanisms 110, 120, 130, 140 disposed on the base plate, and an operation plate 210 ).

상기 베이스 플레이트(215)는 상기 미세 이송 기구들이 고정되는 편평한 판상의 부재이다. The base plate 215 is a flat plate-like member to which the fine feed mechanisms are fixed.

상기 미세 이송 기구들(110, 120, 130, 140)은 앞서 실시예1 및 실시예2에서 설명한 것과 같이 일 방향으로 움직임의 신속성, 대행정 이동 범위, 고정밀도 등의 특징을 가지는 1자유도 직선 이송 기구이다. The fine transfer mechanisms 110, 120, 130, and 140 may be a one-degree-of-freedom straight line having characteristics such as rapidity of movement, large stroke range, and high accuracy in one direction as described in the first and second embodiments It is a transfer mechanism.

상기 미세 이송 기구들은 네 개가 사용되어 두 개씩 서로 평행하게 배치된다. 더욱 바람직하게는 동일한 구성을 가지는 네 개의 미세 이송 기구들이 직선 운동 방향의 축을 기준으로 서로 직교하도록 배치되어 실질적으로 정사각형을 이루면서 배치된다. Four fine transfer mechanisms are used, two of which are arranged parallel to each other. More preferably, the four fine transfer mechanisms having the same configuration are arranged so as to be substantially square with each other being arranged perpendicular to each other with respect to the axis of the linear motion direction.

도 3 내지 5에 도시된 실시예에서는 미세 이송 기구들의 구성은 앞서 실시예1에서 설명한 미세 이송 기구가 채용된 상태로 도시되어 있다. 다만, 차이점이 있다면, 초정밀 스테이지에 있어서는 미세 이송 기구들의 움직임을 조합할 수 있도록 하기 위해 미세 이송 기구의 제2 리니어 가이드(10) 상에 제2 리니어 가이드(10)의 가이드 방향과 교차하는 방향으로 제3 리니어 가이드(12)가 배치되고, 상기 제3 리니어 가이드(12)의 상측에는 선회 베어링(11)이 설치된다. 상기 제3 리니어 가이드는 상용품 중에서 선택될 수 있고, 다만 여러 방향에서 하중을 받는 경우에도 모두 대응할 수 있는 강성을 가지도록 크로스 롤러 테이블이 설치되는 것이 바람직하다. In the embodiment shown in Figs. 3 to 5, the micro-transport mechanisms are shown in a state in which the micro-transport mechanism described in the first embodiment is employed. If there is a difference, in order to be able to combine the movements of the fine conveying mechanisms in the ultra-precision stage, on the second linear guide 10 of the fine conveying mechanism, in the direction intersecting the guide direction of the second linear guide 10 A third linear guide 12 is disposed and a swivel bearing 11 is provided on the third linear guide 12. It is preferable that the third linear guide is provided with a cross roller table so that the third linear guide can have a rigidity that can cope with even when a load is applied in various directions.

상기 선회 베어링(11)은 상기 작동 플레이트(210)와 상기 제3 리니어 가이드의 이동부(12a)와의 사이에 배치되어 상기 제3 리니어 가이드의 이동부(12a)에 수직한 축(Z축과 평행한 축)을 중심으로 회동할 수 있게 한다. 상기 선회 베어링(11)의 경우에도 상용품 중에서 선택될 수 있고, 다만 여러 방향의 하중을 모두 지지할 수 있도록 크로스 롤러 링이 설치되는 것이 바람직하다. The swivel bearing 11 is disposed between the actuating plate 210 and the moving part 12a of the third linear guide and has an axis perpendicular to the moving part 12a of the third linear guide To rotate about an axis). In the case of the swivel bearing 11, it is also preferable that a cross roller ring is installed so as to support all loads in various directions.

예를 들어, THK 주식회사의 크로스 롤러 링은 90°의 V홈 형상의 구름면에 원통 롤러가 스페이서 리테이너 사이에 상호 직교 배열되어 있으므로 1개의 베어링으로 레이디얼 하중, 축방향 하중 및 모멘트 하중 등의 모든 방향의 하중을 부하하는 것이 가능하다. For example, in the cross roller ring of THK Co., Ltd., since cylindrical rollers are arranged orthogonally to each other between the spacer retainers on a 90 ° V-groove rolling surface, all bearings such as radial load, axial load and moment load It is possible to load a load in a direction.

상기 작동 플레이트(210)는 본 발명의 초정밀 스테이지에서 실제로 움직임을 구현하는 부분으로, 미세 이송 기구들의 운동의 조합에 의해 X축 및 Y축 방향의 직선 운동과, Z축을 중심으로 하는 θ방향의 회전 운동이 가능한 부재이다. The actuation plate 210 is a part that realizes movement in the ultra-precision stage of the present invention. The actuation plate 210 is a part that realizes movement in the ultra-precision stage of the present invention. The actuation plate 210 includes a linear motion in the X- and Y- It is a member that can exercise.

이상과 같은 구성을 가지는 초정밀 스테이지에 있어서, 도 5를 기준으로 설명할 때 X축 방향의 작동 플레이트의 이동은 미세 이송 기구 중 X축과 나란하게 배치된 두 개의 미세 이송 기구(120, 140)가 신장되거나 수축되는 움직임에 의해 구현된다. 즉, X축에 나란한 미세 이송 기구들(120, 140)이 신장되거나 수축되면, Y축에 나란한 미세 이송 기구의 각각의 제3 리니어 가이드에서 고정부에 대해 이동부가 X축 방향으로 슬라이딩되면서 작동 플레이트의 X축 방향 움직임이 구현된다. 5, the movement of the actuating plate in the X-axis direction is controlled by two fine feed mechanisms 120 and 140 arranged in parallel with the X-axis of the fine feed mechanism in the ultra-precision stage having the above- It is implemented by a motion that is stretched or contracted. That is, when the fine feed mechanisms 120 and 140 parallel to the X axis are elongated or retracted, the moving unit is slid in the X axis direction with respect to the fixed portion in each third linear guide of the fine feed mechanism parallel to the Y axis, The movement in the X axis direction is realized.

또한, Y축 방향의 작동 플레이트의 이동은 미세 이송 기구 중 Y축과 나란하게 배치된 두 개의 미세 이송 기구(110, 130)가 신장되거나 수축되는 움직임에 의해 구현된다. 즉, Y축에 나란한 미세 이송 기구들(110, 130)이 신장되거나 수축되면, X축에 나란한 미세 이송 기구의 각각의 제3 리니어 가이드에서 고정부에 대해 이동부가 Y축 방향으로 슬라이딩되면서 작동 플레이트의 Y축 방향 움직임이 구현된다. Further, the movement of the actuating plate in the Y-axis direction is realized by the movement of the two micro-feed mechanisms (110, 130) arranged in parallel to the Y-axis of the fine feed mechanism. That is, when the fine conveying mechanisms 110 and 130 aligned in the Y-axis are elongated or retracted, the moving unit slides in the Y-axis direction with respect to the fixed portion in each third linear guide of the fine conveying mechanism in parallel with the X- The Y-axis direction movement is realized.

또한, θ방향의 회전 운동은 네 개의 미세 이송 기구들이 모두 수축하는 방향으로 움직이면 도 5를 기준으로 양(+)의 θ방향(반시계 방향)으로 작동 플레이트가 회전한다. 반대로, 도 5를 기준으로 음(-)의 θ방향(시계 방향)의 작동 플레이트의 회전은 모든 미세 이송 기구들이 신장되는 방향으로 움직임에 의해 구현된다. In addition, the rotational motion in the &thetas; direction causes the actuating plate to rotate in the positive (+) direction (anticlockwise) with reference to FIG. 5 when all of the four minute transport mechanisms move in the contracting direction. Conversely, the rotation of the actuation plate in the negative (-)? Direction (clockwise) on the basis of FIG. 5 is realized by movement in the direction in which all the fine transfer mechanisms are elongated.

X축이나 Y축 방향의 이동시에는 해당 미세 이송 기구들이 동일한 이동량을 가져야만 정밀한 X축이나 Y축 방향의 이동이 가능할 것이고, 회전 운동을 구현할 때에는 모든 미세 이송 기구들이 동일한 이동량을 가져야만 정밀한 회전 운동이 가능할 것이다. 이를 위해 각각의 미세 이송 기구들이 균일한 움직임을 가지도록 제어하여야 할 것이다. When the X-axis or Y-axis direction is moved, the fine movement mechanisms must have the same movement amount to move the X-axis or Y-axis precisely. In order to implement the rotation movement, all the fine movement mechanisms must have the same movement amount, Will be possible. For this purpose, each micro transfer mechanism should be controlled to have uniform motion.

한편, 본 발명에 따른 초정밀 스테이지는 적용되는 장치에 따라 작동 플레이트 상에 레이저 어댑터부와 글라스 고정부를 더 구비할 수 있다. Meanwhile, the ultra-precision stage according to the present invention may further include a laser adapter unit and a glass fixing unit on the operation plate according to the apparatus to which the present invention is applied.

지금까지 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it is to be understood that various modifications and equivalent embodiments are possible without departing from the scope of the present invention. . Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 미세 이송 기구의 구성을 보여주는 측면도. 1 is a side view showing a configuration of a micro transfer mechanism according to a first embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 실시예2에 따른 미세 이송 기구의 구성을 보여주는 측면도. 2 is a side view showing a configuration of a micro transfer mechanism according to a second embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 3자유도 초정밀 스테이지의 구성을 보여주는 사시도. 3 is a perspective view showing a configuration of a three-degree-of-freedom super precision stage according to the present invention.

도 4는 도 3에 도시된 3자유도 초정밀 스테이지의 측면도. 4 is a side view of the three degree of freedom super precision stage shown in Fig.

도 5는 도 3 및 4에 도시된 3자유도 초정밀 스테이지에서 구동부의 구성을 보여주는 사시도. 5 is a perspective view showing the configuration of a driving unit in the three-degree-of-freedom super precise stage shown in Figs. 3 and 4. Fig.

*도면의 주요 부분의 대한 부호설명*[Description of Drawings]

1: 엔코더 2: 서보 모터1: Encoder 2: Servo motor

3: 동력 전달축 (커플링) 4: 고정단3: Power transmission shaft (coupling) 4: Fixed end

5: 볼스크류 6a: 제1 리니어 가이드 이동부5: Ball screw 6a: First linear guide moving part

6b: 제1 리니어 가이드 고정부 7: 베이스 플레이트6b: first linear guide fixing portion 7: base plate

8, 8a: 피에조 액추에이터 8b: 피에조 액추에이터 고정 브래킷8, 8a: Piezo actuator 8b: Piezo actuator fixing bracket

10: 제2 리니어 가이드 10a: 제2 리니어 가이드 이동부10: second linear guide 10a: second linear guide moving part

10b: 제2 리니어 가이드 고정부 11: 선회 베어링10b: second linear guide fixing portion 11:

12a: 제3 리니어 가이드 이동부 12b: 제3 리니어 가이드 고정부12a: third linear guide moving part 12b: third linear guide fixing part

100, 100', 110, 120, 130, 140: 미세 이송 기구 100, 100 ', 110, 120, 130, 140:

200: 초정밀 스테이지 210: 작동 플레이트200: super precision stage 210: operating plate

215: 베이스 플레이트 220: 글라스 고정부215: base plate 220: glass fixing part

230: 레이저 어댑터부230: laser adapter section

Claims (5)

베이스 플레이트; A base plate; 상기 베이스 플레이트 상에 배치된 네 개의 미세 이송 기구; 및 Four fine transfer mechanisms disposed on the base plate; And 상기 베이스 플레이트와 평행하게 배치되는 작동 플레이트를 포함하고, And an operating plate disposed in parallel with the base plate, 각각의 미세 이송 기구는, Each of the fine transfer mechanisms includes: 상기 베이스 플레이트에 고정 배치된 서보 모터; A servo motor fixedly disposed on the base plate; 상기 서보 모터에 의해 구동되어 일 방향으로 이송되는 제1 리니어 가이드; A first linear guide driven by the servo motor and fed in one direction; 상기 제1 리니어 가이드에 배치되어 상기 제1 리니어 가이드의 이송 방향에 나란한 방향으로 미세 변위를 발생시키는 피에조 액추에이터; 및 A piezoelectric actuator disposed in the first linear guide and generating fine displacement in a direction parallel to a conveying direction of the first linear guide; And 상기 피에조 액추에이터의 단부에 배치되어 상기 서보 모터 및 상기 피에조 액추에이터가 발생시키는 변위에 의해 상기 베이스 플레이트에 대해 일 방향으로 이송되는 제2리니어 가이드를 포함하며, And a second linear guide disposed at an end of the piezo actuator and being fed in one direction to the base plate by a displacement generated by the servo motor and the piezo actuator, 상기 네 개의 미세 이송 기구 각각의 제2 리니어 가이드 상에 배치되고, 상기 제2 리니어 가이드의 가이드 방향과 교차하는 방향으로 작동하는 제3 리니어 가이드; 및 A third linear guide arranged on a second linear guide of each of the four fine feed mechanisms and operating in a direction crossing the guide direction of the second linear guide; And 상기 각각의 제3 리니어 가이드 상에 배치되고, 상기 작동 플레이트가 상기 제3 리니어 가이드 상에서 회동할 수 있도록 지지하는 선회 베어링들을 더 포함하고, Further comprising pivot bearings disposed on each of the third linear guides, the pivot bearings supporting the actuating plate so as to be rotatable on the third linear guide, 각각의 미세 이송 기구 중 두 개는 서로 평행한 방향으로 작동하도록 배치되고, 나머지 두 개는 서로 평행하면서 다른 두 개와는 서로 직교하는 방향으로 작동하도록 배치되어, 전체적으로 네 개의 미세 이송 기구는 정사각형을 이루면서 배치되며, Two of the fine transfer mechanisms are arranged to operate in directions parallel to each other and the other two are arranged to be parallel to each other and to operate in a direction orthogonal to the other two, Lt; / RTI & 정사각형을 이루면서 배치된 상태에서 각 꼭지점에 해당하는 부분에는, 두 개의 미세 이송 기구가 서로 인접하여 배치되게 되는데, 이 인접하는 두 개의 미세 이송 기구들은 하나는 꼭지점에 해당하는 부분에서 상기 베이스 플레이트에 고정된 상태이고, 다른 하나는 꼭지점에 해당하는 부분에서 상기 베이스 플레이트에 대해 상대 이동이 가능하게 배치된 상태인 것을 특징으로 하는 초정밀 스테이지.Two micro transfer mechanisms are arranged adjacently to each other at a portion corresponding to each vertex in a state of being arranged in a square. One of the two micro transfer mechanisms adjacent to each other is fixed to the base plate at a portion corresponding to the vertex, And the other is a state in which a relative movement with respect to the base plate is arranged at a portion corresponding to a vertex. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 피에조 액추에이터의 중심축과 상기 서보 모터의 회전축은 동축을 형성하면서, 상기 피에조 액추에이터는 상기 제1 리니어 가이드의 이송 방향으로 직렬로 배치된 것을 특징으로 하는 초정밀 스테이지.Wherein the central axis of the piezo actuator and the rotation axis of the servo motor are coaxial with each other, and the piezo actuator is arranged in series in the transport direction of the first linear guide. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 피에조 액추에이터는 상기 제1 리니어 가이드 상에 배치된 것을 특징으로 하는 초정밀 스테이지.Wherein the piezo actuator is disposed on the first linear guide. 삭제delete 삭제delete
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