KR101605823B1 - 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지에 관한 것으로서, 이동부의 4면에 압전 액추에이터에 의해 구동되는 압전 구동부가 배치되고 각각의 압전 구동부들은 탄성힌지로 베이스에 결합되어 연결됨으로써, 이동부의 원점이 중심에 있고 압전 구동부들의 인력의 차이인 차분력에 의해 이동부가 2축 방향(XY 방향)으로 이동될 수 있는 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지에 관한 것이다.

Description

단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지 {A flexure-based monolithic parallel stage for two axes driven by differential forces}
본 발명은 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지에 관한 것으로서, 이동부의 4면에 압전 구동부가 배치되고 각각의 압전 구동부들은 탄성힌지로 베이스에 결합되어 연결됨으로써, 이동부의 원점이 중심에 있고 압전 구동부들의 인력의 차이인 차분력에 의해 이동부가 2축 방향으로 이동될 수 있는 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지에 관한 것이다.
일반적으로 초정밀 위치결정기구는 압전소자 또는 전자기력을 이용해 물체를 탑재한 이동부에 힘을 가하여 인가된 힘이 원하는 방향으로 작동하도록 간단한 탄성체에 의한 스프링기구를 이용하여 운동을 안내하였다.
그런데 압전소자에 의해 구동되는 압전구동 스테이지의 원점은 중심에 위치하지 않도록 설계되어 있다. 이때, 원점이 스테이지의 중심에 있게 하기 위해서는 중앙에 배치된 이동부의 양측에 동일한 압전구동 메커니즘을 배치하여 여기에서 발생하는 힘의 차이인 즉 차분력에 의해 이동부를 구동시키는 방법이 제시되어 있다.
이와 관련된 종래 기술로는 한국등록특허(10-1066846)인 "압전구동식 초정밀 스캐너 구동장치 및 그 구동방법"이 개시되어 있다.
그러나 이는 1축 방향으로만 이동부를 구동시킬 수 있도록 구성되어 있으며, 2축 구동 이상의 경우에는 아직 메커니즘이 개발되지 않은 상태이다.
KR 10-1066846 B1 (2011.09.16.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이동부의 4면에 압전 구동부가 배치되고 각각의 압전 구동부들은 탄성힌지로 베이스에 결합되어 연결됨으로써, 이동부의 원점이 중심에 있고 압전 구동부들의 인력의 차이인 차분력에 의해 이동부가 2축 방향으로 이동될 수 있는 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지는, 이동부; 상기 이동부의 4면에 각각 결합되어 서로 마주보는 방향으로 구동력을 발생시키는 압전 구동부; 상기 압전 구동부들에 각각 일측이 결합되고 베이스에 타측이 고정되어, 서로 마주보는 방향에 수직인 방향으로 상기 이동부 및 압전 구동부들이 이동 가능하게 형성되는 탄성힌지; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전 구동부들과 이격되어 각각 연결부가 구비되며, 상기 탄성힌지는 한 쌍으로 형성되어 하나의 탄성힌지에 의해 연결부와 압전 구동부가 연결되고, 다른 하나의 탄성힌지에 의해 연결부와 베이스가 연결되며, 상기 한 쌍의 탄성힌지는 각각의 연결부들의 양단에 배치되어 8쌍으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성힌지는 이동부 및 압전 구동부들이 배치된 평면에서 상기 압전 구동부의 바깥쪽에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성힌지는 이동부 및 압전 구동부들이 배치된 평면에 수직으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이동부, 압전 구동부들, 베이스 및 탄성힌지들은 단일체로 가공되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지는 2축 방향으로 이동부를 이동시킬 수 있으며, 압전 구동부들의 차분력에 의해 구동되어 이동부의 원점이 중심에 있도록 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 탄성힌지를 수직방향으로 형성하여 입체형으로 구성할 수 있어, 구조상 또는 설치평면의 제약이 있는 경우 제작 및 설치가 용이한 장점이 있다.
또한, 직렬형태로 형성되는 구동 메커니즘에 비해 위치오차의 누적이 없으며 컴팩트한 구조로서 강성이 큰 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지의 제1실시예를 나타낸 사시도 및 상측 평면도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 압전 구동부의 작동에 따른 이동부의 이동 원리를 나타낸 개략도.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지의 제2실시예를 나타낸 상측 평면도, 사시도 및 정면도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지의 제1실시예를 나타낸 사시도 및 상측 평면도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 압전 구동부의 작동에 따른 이동부의 이동 원리를 나타낸 개략도이다.
[실시예 1]
도시된 바와 같이 본 발명의 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지(1000)는, 이동부(100); 상기 이동부(100)의 4면에 각각 결합되어 서로 마주보는 방향으로 구동력을 발생시키는 압전 구동부(200); 상기 압전 구동부(200)들에 각각 일측이 결합되고 베이스(400)에 타측이 고정되어, 서로 마주보는 방향에 수직인 방향으로 상기 이동부(100) 및 압전 구동부(200)들이 이동 가능하게 형성되는 탄성힌지(300); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
우선, 이동부(100)는 압전 구동부(200)에 연결되어 XY 방향으로 이동될 수 있는 부분이며, 이동부(100)는 상측에서 바라보았을 때 사각형태로 형성되어 내부가 비어있는 사각링 형태로 형성될 수 있다.
압전 구동부(200)는 이동부(100)를 이동시킬 수 있는 구동력을 발생시키는 역할을 하며, 압전 구동부(200)는 이동부(100)의 바깥쪽 4면에 각각 결합되어 4개의 압전 구동부(200)가 구비된다. 여기에서 압전 구동부(200)는 도 3 및 도 4와 같이 길이방향으로 형성된 압전 액추에이터(210)에 연결된 연결 블록(220) 및 탄성체인 연결 브릿지(230)에 의해 압전 액추에이터(210)가 작동되면 압전 구동부(200)의 폭방향으로 이동부(100)를 잡아당기는 인력이 발생하도록 구성된다. 그리하여 이동부(100)의 X축 방향 양측에 연결된 한 쌍의 압전 구동부(200)들에 의해 이동부(100)가 X축 방향으로 이동될 수 있도록 구성된다. 또한, 이동부(100)의 Y축 방향 양측에 연결된 나머지 한 쌍의 압전 구동부(200)들에 의해 이동부(100)가 Y축 방향으로 이동될 수 있도록 구성된다.
여기에서 압전 구동부(200)들에는 각각 탄성힌지(300)가 결합된다. 이때, 탄성힌지(300)는 서로 마주보는 방향에 수직인 방향으로 이동부(100) 및 압전 구동부(200)들이 이동 가능하게 형성된다. 보다 상세하게는, 이동부(100)의 X축 방향 양측에 배치된 한 쌍의 압전 구동부(200)에 탄성힌지(300)의 일측이 결합되고 베이스(400)에 타측이 고정될 수 있고 이동부(100)의 Y축 방향 양측에 배치된 다른 한 쌍의 압전 구동부(200)에 탄성힌지(300)의 일측이 결합되고 베이스(400)에 타측이 고정될 수 있다. 이때, X축 방향에 배치된 탄성힌지(300)들은 이동부(100)가 X축 방향으로는 X축 방향에 배치된 압전 구동부(200)들의 작동에 의해서만 이동될 수 있도록 변형되지 않으면서 Y축 방향으로는 탄성에 의해 변형되어 Y축 방향으로는 이동부(100)가 이동될 수 있도록 배치된다. 반대로 Y축 방향에 배치된 탄성힌지(300)들은 이동부(100)가 Y축 방향으로는 Y축 방향에 배치된 압전 구동부(200)들의 작동에 의해서만 이동될 수 있도록 변형되지 않으면서 X축 방향으로는 탄성에 의해 변형되어 X축 방향으로는 이동부(100)가 이동될 수 있도록 배치된다.
즉, 도시된 바와 같이 탄성힌지(300)들이 판형의 탄성체로 형성되는 경우 X축 방향 양측에 배치된 탄성힌지(300)들은 XZ평면과 나란하게 탄성힌지(300)가 배치되며, Y축 방향 양측에 배치된 탄성힌지(300)들은 YZ평면과 나란하게 탄성힌지(300)가 배치될 수 있다.
그리하여 이동부(100)는 X축 방향 양측에 배치된 압전 구동부(200)들의 인력의 차이인 차분력에 의해 원점이 중심에 있는 상태에서 이동부(100)가 X축 방향으로 이동될 수 있으며, Y축 방향 양측에 배치된 압전 구동부(200)들의 인력의 차이인 차분력에 의해 원점이 중심에 있는 상태에서 이동부(100)가 Y축 방향으로 이동될 수 있다. 보다 상세하게는 X축 방향 양측에 배치된 압전 구동부(200)들의 작동에 의해 이동부(100)가 X축 방향으로 이동되면 Y축 방향 양측에 배치된 탄성힌지(300)들이 변형되면서 이동부(100)의 Y축 방향 양측에 결합된 압전 구동부(200)들이 X축 방향으로 함께 이동될 수 있다. 반대로 Y축 방향 양측에 배치된 압전 구동부(200)들의 작동에 의해 이동부(100)가 Y축 방향으로 이동되면 X축 방향 양측에 배치된 탄성힌지(300)들이 변형되면서 이동부(100)의 X축 방향 양측에 결합된 압전 구동부(200)들이 Y축 방향으로 함께 이동될 수 있다. 이때, 이동부(100)는 X축 방향의 이동과 Y축 방향의 이동이 함께 이루어질 수 있어, 네 개의 압전 구동부(200)의 작동에 따라 이동부(100)는 XY평면상에서 자유롭게 위치가 이동될 수 있으며, 압전 구동부(200)의 작동이 정지되면 이동부(100)는 탄성힌지(300)의 탄성력에 의해 다시 원래의 위치인 원점으로 복귀하게 된다.
그리고 베이스(400)는 탄성힌지(300)들이 고정될 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 베이스(400) 대신 별도의 장치나 설비에 탄성힌지(300)들을 고정시켜 사용할 수도 있다.
이에 따라 본 발명의 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지는 2축 방향으로 이동부를 이동시킬 수 있으며, 압전 구동부들의 차분력에 의해 구동되어 이동부의 원점이 중심에 있도록 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 직렬형태로 형성되는 구동 메커니즘에 비해 위치오차의 누적이 없으며 컴팩트한 구조로서 강성을 크게 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 압전 구동부(200)들과 이격되어 각각 연결부(310)가 구비되며, 상기 탄성힌지(300)는 한 쌍으로 형성되어 하나의 탄성힌지(300)에 의해 연결부(310)와 압전 구동부(200)가 연결되고, 다른 하나의 탄성힌지(300)에 의해 연결부(310)와 베이스(400)가 연결되며, 상기 한 쌍의 탄성힌지(300)는 각각의 연결부(310)들의 양단에 배치되어 8쌍으로 형성될 수 있다.
이는 압전 구동부(200)들에 각각 하나의 탄성힌지(300)가 연결되는 것이 아니라, 압전 구동부(200)에서 이격되도록 각각 연결부(310)를 배치하고 연결부(310)의 양단에 각각 한 쌍의 탄성힌지(300)가 배치되도록 하여 총 8쌍의 탄성힌지(300)가 배치되는 구성이다. 이때, 한 쌍의 탄성힌지(300)에서 이중 하나의 탄성힌지(300)는 일측이 압전 구동부(200)에 결합되고 타측이 연결부(310)에 결합되며, 다른 하나의 탄성힌지(300)는 일측이 베이스(400)에 결합되어 고정되고 타측이 연결부(310)에 결합될 수 있다. 그리하여 탄성힌지(300)가 배치된 방향으로는 변형되지 않으면서, 탄성힌지(300)와 수직인 방향으로는 작은 힘에 의해서도 변형되어 이동부(100)가 이동될 수 있다. 이에 따라 압전 구동부(200)의 작동에 의해 이동부(100)의 이동이 원활하게 이루어질 수 있으며 탄성힌지(300)에 의해 압전 구동부(200)가 바깥쪽 방향으로 밀려나지 않도록 견고하게 지지될 수 있다.
또한, 상기 탄성힌지(300)는 이동부(100) 및 압전 구동부(200)들이 배치된 평면에서 상기 압전 구동부(200)의 바깥쪽에 배치될 수 있다.
즉, 이동부(100), 압전 구동부(200)들 및 탄성힌지(300)가 XY평면상에 배치되어, 이동부(100)의 바깥쪽에 압전 구동부(200)들이 배치되고 압전 구동부(200)의 바깥쪽에 탄성힌지(300)가 배치되어 하나의 평면상에 형성될 수 있다. 이때, 베이스(400) 또한 함께 XY평면상에 형성될 수도 있으며, XY평면에 수직인 Z축 방향으로 형성될 수도 있다. 그리하여 하나의 평면상에 컴팩트하게 구성될 있다.
[실시예 2]
또한, 상기 탄성힌지(300)는 이동부(100) 및 압전 구동부(200)들이 배치된 평면에 수직으로 배치될 수 있다.
즉, 도 5 내지 도 7과 같이 이동부(100) 및 압전 구동부(200)들의 하측에 이격되어 베이스(400)가 형성되고 탄성힌지(300)들이 Z축 방향으로 형성되어 입체적인 구조로 보다 컴팩트한 구성이 가능하며, 구조상 또는 설치평면의 제약이 있는 경우 제작 및 설치가 용이한 장점이 있다.
이때, 베이스(400)의 상측으로 연장된 한 쌍의 돌출부(410)를 4개소에 형성하고, 돌출부(410)와 연결부(310)를 Z축 방향으로 배치된 하나의 탄성힌지(300)로 연결하고 연결부(310)와 압전 구동부(200)를 Z축 방향으로 배치된 하나의 탄성힌지(300)로 연결하여 입체적으로 구성할 수 있다.
또한, 상기 이동부(100), 압전 구동부(200)들, 베이스(400) 및 탄성힌지(300)들은 단일체로 가공되어 제작될 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 본 발명의 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지(1000)가 하나의 평면상에 형성되는 경우 및 탄성힌지(300)들이 Z축 방향으로 배치되어 입체적으로 형성되는 경우 모두 이동부(100), 압전 구동부(200)들, 베이스(400) 및 탄성힌지(300)들이 연결된 형태로 형성되므로 하나의 블록을 이용해 와이어 컷팅 등을 통해 단일체로 가공되어 제작될 수 있다. 이때, 압전 구동부(200)의 압전 액추에이터(210)는 전기를 가했을 때 구동력을 발생시키는 부분이므로 압전 액추에이터(210)를 제외한 나머지 부분을 단일체로 형성한 후 압전 액추에이터(210)들을 결합하여 조립할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지
100 : 이동부
200 : 압전 구동부
210 : 압전 액추에이터 220 : 연결 블록
230 : 연결 브릿지
300 : 탄성힌지 310 : 연결부
400 : 베이스 410 : 돌출부

Claims (5)

  1. 이동부;
    상기 이동부의 4면에 각각 결합되어 서로 마주보는 방향으로 구동력을 발생시키는 압전 구동부;
    상기 압전 구동부들에 각각 일측이 결합되고 베이스에 타측이 고정되어, 서로 마주보는 방향에 수직인 방향으로 상기 이동부 및 압전 구동부들이 이동 가능하게 형성되는 탄성힌지; 를 포함하며,
    상기 압전 구동부들과 이격되어 각각 연결부가 구비되며, 상기 탄성힌지는 한 쌍으로 형성되어 하나의 탄성힌지에 의해 연결부와 압전 구동부가 연결되고, 다른 하나의 탄성힌지에 의해 연결부와 베이스가 연결되며,
    상기 한 쌍의 탄성힌지는 각각의 연결부들의 양단에 배치되는 것을 특징으로 하는 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 탄성힌지는 각각의 연결부들의 양단에 배치되어 8쌍으로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄성힌지는 이동부 및 압전 구동부들이 배치된 평면에서 상기 압전 구동부의 바깥쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄성힌지는 이동부 및 압전 구동부들이 배치된 평면에 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이동부, 압전 구동부들, 베이스 및 탄성힌지들은 단일체로 가공되는 것을 특징으로 하는 단일체로 가공된 차분력 구동형 탄성힌지 기반 2축 병렬 스테이지.
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