KR102413742B1 - 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘 - Google Patents

변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 레이저를 반사시키는 반사경, 레이저를 반사시키는 반사경; 상기 반사경을 고정시키는 어댑터; 상기 어댑터의 하측에 배치되며 어댑터가 병진운동과 회전운동이 가능하도록 구동되는 복수의 압전 액츄에이터; 상기 복수의 압전 액츄에이터와 어댑터 사이에 배치되며, 압전 액츄에이터의 각각의 구동을 증폭시켜, 증폭된 구동을 전달하는 복수의 변위증폭구조; 및 상기 압전 액츄에이터를 고정시키는 베이스를 포함하며; 상기 변위증폭구조는, 3개의 변위증폭구조가 서로 평행하게 배치되어 구성되며, 상기 압전액츄에이터는, 평행하게 배치된 3개의 변위증폭구조에 교차하여 배치되는 것을 특징으로 하는 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘을 제안한다.

Description

변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘{Tip-Tilt Mechanism of Ultra-small Optical Mirror Using Displacement Amplification Structures}
본 발명은 3점 구동 방식의 팁틸트 시스템에서 사이즈와 무게 측면에서 개선된 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘에 관한 것이다.
최근 반도체 제조공정이나, 원자현미경(AFM/STM)과 같은 정밀 측정장치 및 대면적 나노리소크래피(nano lithography) 등의 분야에 있어서, 수백 ㎛이상의 구동범위를 가지면서 ㎚수준의 위치결정 정밀도 및 ㎚미만의 평면운동의 구현이 가능한 나노위치결정기구에 대한 수요가 증가하고 있다.
종래에는 피에조 현상(Piezoelectricity)과 유연 힌지를 이용하여 초정밀 위치결정기구를 제작하는 연구가 많이 이루어져 왔다.
즉, 피에조 현상은 ㎚미만의 분해능을 가지고 있고, 열 발산이 없으며, 빠른 응답속도를 가지고 큰 힘을 낼 수 있다는 장점이 있으며, 또한 유연 힌지는 마모에 강하고, 연속적인 가이드 모션을 가지며, 움직임을 증폭하기 위한 증폭구조 등의 다양한 기구를 적용하기 용이한 장점이 있다.
또한, 압전소자는 수 ㎛ 내지 수십 ㎛의 운동범위를 가지므로, 이보다 큰 범위에서 구동하기 위해서는 운동량의 증폭이 필요하다는 문제가 있으며, 이를 위해, 일반적으로 레버구조의 유연기구가 사용되었다.
관련선행문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2007-0093706호(2007.09.19.)에서는 스캐너 장치를 개시하고 있으며, 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 4점 구동방식으로 플랫폼 하측에 설치된 두 쌍의 액츄에이터와 플랫폼의 중심을 기준으로 90도 간격으로 액츄에이터와 각각 연결되는 4개의 레버암을 배치하여 2개의 레버암이 짝을 이루어 2개의 짝 레버암들을 통해, X, Y방향의 회전운동을 구현할 수 있는 것을 개시하고 있다.
또한, 관련선행문헌으로는 대한민국 등록특허 제10-0872031호(2008.12.05.)에서는 자기구동기를 이용한 비접촉식 스캐너를 개시하고 있으며, 플랫폼은 거울이 부착된 반대면에 3개의 돌기가 동심원상에 120도 간격으로 3개가 동일하게 3점 구동방식으로 배치되며, 거울을 포함한 플랫폼을 2축 360도 방향으로 기울일 수 있도록 구형 굴곡 힌지를 구비하는 것을 개시하고 있다.
도 1에서 도시된 바와 같이 도 1(a)의 4점 구동방식과 도 1(b)의 3점 구동방식의 변위증폭구조를 배치할 수 있다.
그러나, 도 1(a)에 도시된 기존의 4점 구동방식은 반사경의 중심을 기준으로 90도 간격으로 4개의 변위증폭구조들을 배치하여 2개의 변위증폭구조가 짝을 이루어 2개의 짝 변위증폭구조들을 통해, X, Y, 방향의 회전운동을 구현할 수 있다. 이 방식은 X, Y 2방향의 회전운동을 4개의 변위증폭구조로 구현하므로 3개의 변위증폭구조로 구현하는 방식에 비해 전력소모가 커지고 사이즈가 커지는 문제점이 있으며, 도 1(b)에 도시된 기존의 3점 구동방식은 반사경의 중심을 기준으로 120도 간격으로 3개의 변위증폭구조를 배치하므로, 변위증폭구조를 고정시켜주는 베이스 구조의 직경이 3개의 액츄에이터가 이격되어 배치되므로 액츄에이터를 고정시켜주는 베이스 구조의 직경이 일정 크기로 형성되어 크게 제작될 수 밖에 없어 소형화가 어렵다는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2007-0093706호(2007.09.19.) 대한민국 등록특허 제10-0872031호(2008.12.05.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 기존의 3점 또는 4점 구동방식과 달리 3개의 액츄에이터를 서로 엇갈려 배치함으로써 기존의 4점 구동 방식에 비해 전력소모를 줄일 수 있고, 기존의 3점 및 4점 구동방식에 비해 사이즈 면에서 소형으로 제작할 수 있는 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 압전 액츄에이터를 기존의 3점, 4점 구동방식에 비해 반사경 중심에 가까이 근접시켜 배치시킬 수 있어 조향각 구현에 장점을 가지며, 세 개의 유연 힌지가 장착된 변위증폭구조를 통해 압전 액츄에이터의 선형운동을 미러의 회전운동으로 변환시킬 수 있는 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 변위증폭 구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘은, 레이저를 반사시키는 반사경; 상기 반사경을 고정시키는 어댑터; 상기 어댑터의 하측에 배치되며 어댑터가 병진운동과 회전운동이 가능하도록 구동되는 복수의 압전 액츄에이터; 상기 복수의 압전 액츄에이터와 어댑터 사이에 배치되며, 압전 액츄에이터의 각각의 구동을 증폭시켜, 증폭된 구동을 전달하는 복수의 변위증폭구조; 및 상기 압전 액츄에이터를 고정시키는 베이스를 포함하며; 상기 복수의 변위증폭구조는 서로 평행하게 배치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 변위증폭구조는, 3개의 변위증폭구조가 서로 평행하게 배치되어 구성되며; 상기 압전 액츄에이터는, 평행하게 배치된 3개의 변위증폭구조에 교차하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 변위증폭구조는, 상기 압전 액츄에이터에 접하여 구동되는 구동부; 상기 구동부에 결합되어 일방향으로 회동하는 제1 레버; 및 상기 제1 레버와 연결되며 상기 제1 레버에 의해 증폭되어 움직이는 제2 레버를 포함하며; 상기 제2 레버는, 상기 제2 레버의 구동을 어댑터에 전달하여 반사경의 조향각을 조절하는 조절부와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 변위증폭구조는, 상기 제1 레버의 하측과 상기 압전 액츄에이터를 연결하는 구동부; 상기 베이스와 상기 제1 레버를 연결하는 제1 탄성힌지; 상기 제1 레버와 상기 제2 레버를 연결하는 제2 탄성힌지; 상기 베이스와 상기 제2 레버를 연결하는 제3 탄성힌지; 및 상기 제2 레버와 연결되어 조절부를 구동하는 유연 힌지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 탄성힌지와, 제2 탄성힌지와 제3 탄성힌지 및 유연힌지는 탄성재질로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 유연힌지는, 조절부의 중앙부 하측에 삼각형 형상으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변위증폭 구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘은 첫째, 3개의 변위증폭구조를 서로 엇갈려 배치함으로써 기존의 4점 구동방식에 비해 전력소모를 줄일 수 있으며, 둘째, 기존의 3점, 4점 구동방식에 비해 반사경 중심에 가까이 근접시켜 변위증폭구조를 배치할 수 있어 조향각 구현이 용이하며, 셋째, 팁틸트 메커니즘의 사이즈를 미러의 크기에 비해 작게 가져갈 수 있어서 사이즈를 소형으로 제작할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 종래 기술에 따른 변위증폭구조의 배치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘의 분해도이다.
도 4는 본 발명에 따른 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 변위증폭구조의 팁틸트 메커니즘의 개략도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 변위증폭구조의 배치 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우, 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘의 분해도이고, 도 4는 본 발명에 따른 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘의 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 변위증폭구조의 팁틸트 메커니즘의 개략도이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 변위증폭구조의 배치 구성도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘은 도면에 도시된 바와 같이, 레이저를 반사시키는 반사경(100)과 반사경(100)을 고정시키는 어댑터(110)와 어댑터를 지지하며 구동하는 변위증폭구조(130)와 변위증폭구조(130)를 움직이는 압전 액츄에이터(150)와 압전 액츄에이터(150)를 고정시키는 베이스(160)를 포함한다.
또한, 어댑터(110)의 일부분과 변위증폭구조(130)와 압전 액츄에이터(150) 및 베이스(160)가 하우징(170)의 내부에 수용되어 보호될 수 있다.
본 발명에서는 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘의 실시예에 대하여 설명하고 있으나, 본 발명에서 그 용도를 한정하는 것은 아니다.
일 예로 본 발명의 변위증폭구조(130)를 이용한 팁틸트 메커니즘의 어댑터(110)에는 레이저 빔을 발사하는 레이저 가공장치가 장착되거나, 어댑터(110)에 대상물을 안착시키고 별도로 설치된 레이저 가공장치에 의해 어댑터(110)에 안착된 대상물을 가공하는 것도 가능하다.
베이스(160)에 고정되는 복수의 압전 액츄에이터(150)가 제어됨에 의해서 반사경(100)이 회전되게 된다.
압전 액츄에이터(150)는 기계적 응력을 걸면 전압이 발생하고 반대로 전압을 가하면 팽창되거나 수축된다.
제어부(미도시)는 압전 액츄에이터(150)에 가해지는 전압을 제어함으로써 압전 액츄에이터(150)가 길이방향으로 팽창 또는 수축되게 하고, 압전 액츄에이터(150)의 이러한 구동이 반사경(100)에 전달되어 반사경(100)이 회전되도록 제어한다.
본 발명의 일 실시예에서는 압전 액츄에이터(150)가 3개인 경우를 예로 들었으며, 이들 압전 액츄에이터(150)는 각각 제어함으로써, 피치(pitch) 방향과 요(yaw) 방향에 맞는 제1 회전방향 및 제2 회전방향의 두 방향의 회전이 가능하게 된다.
압전 액츄에이터(150)의 구동은 압전 액츄에이터(150)에 접하는 변위증폭구조(130)에 전달되는데, 일반적으로 압전 액츄에이터(150)는 빠른 응답성과 높은 분해능을 갖지만, 구동 범위가 작기 때문에, 압전 액츄에이(150)터의 구동이 증폭되어 반사경(100)에 전달될 수 있도록 변위증폭구조(130)와 결합이 된다.
변위증폭구조(130)는 제1 레버(131)와 제2 레버(132)와 유연힌지(133)를 포함할 수 있으며, 조절부(134)와 연결될 수 있다.
조절부(134)는 변위증폭구조(130)의 상측에 배치되며, 변위증폭구조(130)와 연결된 유연힌지(133)가 조절부(134)의 중심부에 하측에 배치되어 유연힌지(133)를 통해 조절부(134)가 구동될 수 있다.
또한, 변위증폭구조(130)의 제1 레버(131)와 제2 레버(132)와 유연힌지(133)와 조절부(134)는 단일체(monolithic)로 제작될 수 있으며, 와이어 방전가공을 통해 단일체로 구성하는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.
변위증폭구조(130)는 압전 액츄에이터(150)의 구동을 미러 마운트(120)에 증폭시켜 전달할 수 있으며, 이것을 통해 결론적으로 반사경(100)에 압전 액츄에이터(150)의 구동을 증폭시켜 전달할 수 있다.
압전 액츄에이터(150)는 출력이 다른 복수의 압전 액츄에이터(150)가 설치되거나, 동일한 출력의 복수의 압전 액츄에이터(150)가 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 3개의 압전 액츄에이터(150)를 구비하고, 3개의 변위증폭구조(130)를 갖는 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘을 설명한다.
또한, 압전 액츄에이터(150)는 입력되는 전압에 의해 구동되며, 제어부(미도시)로부터 지속적으로 입력되는 전압에 의해 일정한 높이가 유지되도록 제어된다.
이러한 압전 액츄에이터(150)에는 각각에 변위증폭구조를 갖는 레버가 2단으로 적층되게 배치될 수 있으며, 압전액츄에이터(150)와 연결되는 구동부(140)와 구동부(140)와 연결되는 제1 레버(131)와 조절부(134)와 연결되는 제2 레버(132)로 이루어 진다. 또한, 레버는 필요에 따라 그 개수를 늘릴 수 있다.
즉, 조절부(134)는 변위증폭구조(130)의 제1 레버(131)와 제1 레버(131)의 변위가 전달되는 제2 레버(132)와 제2 레버(132)에 연결되는 유연힌지(133)의 구동에 의해 구동된다.
도 5를 참조하면, 변위증폭구조(130)는, 압전 액츄에이터(150)에 접하여 구동되는 구동부(140)와 구동부(140)에 결합되어 일방향으로 회동하는 제1 레버(131)와 제1 레버(131)와 연결되며, 제1 레버(131)에 의해 증폭되어 움직이는 제2 레버(132)를 포함할 수 있다.
또한, 변위증폭구조(130)는, 제1 레버(132)의 하측과 압전 액츄에이터(150)와 구동부(140)에 의해 연결되며, 베이스(160)와 제1 레버(131)를 연결하는 제1 탄성힌지(161)와 제1 레버(131)와 제2 레버(132)를 연결하는 제2 탄성힌지(162)와 베이스(160)와 제2 레버(132)를 연결하는 제3 탄성힌지(163)에 의해 연결되며, 제2 레버(132)에 연결된 유연 힌지(133)를 통해 조절부(134)가 구동된다.
또한, 제1 탄성힌지(161)와, 제2 탄성힌지(162)와 제3 탄성힌지(163) 및 유연힌지(133)는 탄성재질로 형성될 수 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명은 기존의 3점 또는 4점 구동방식과 달리 3개의 변위증폭구조(130-1,130-2,130-3))를 서로 평행하게 배치하며, 3개의 압전 액츄에이터(150-1,150-2,150-3)를 서로 엇갈려 배치함으로써, 기존의 4점 구동방식에 비해 전력소모를 줄일 수 있으며, 동일한 증폭비를 가지는 유연힌지(133)를 3개를 배치하여 전체 크기를 줄일 수 있으며, 각 유연힌지(133)의 간격을 최소화하여 최대의 조향각을 확보할 수 있다.
따라서, 유연힌지(133)가 연결된 변위증폭구조(130)를 반사경 중심에 가까이 근접시켜 배치할 수 있어 조향각 구현이 용이하며, 사이즈를 소형으로 제작할 수 있다.
또한, 유연힌지(133)는, 조절부(134)의 중앙부 하측에 반사경(100)의 중심에 가까이 근접시켜 배치하도록 평면상 삼각형 형상으로 배치될 수 있다.
또한, 유연힌지(133)는, 이웃하는 유연힌지(133)와의 거리가 동일한 평면상 정삼각형 형상으로 배치되는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 3개의 유연힌지(133-1, 133-2, 133-3)는 각 변위증폭구조(130-1, 130-2, 130-3)의 상면에 배치되며, 제1 유연힌지(133-1)와 제3 유연힌지(133-3)은 제1 및 제3 변위증폭구조의 상면 내측 모서리부에 각각 배치될 수 있으며, 제2 유연힌지(133-2)는 제2 변위증폭구조(130-2)의 일측단 중앙에 배치될 수 있다.
이것에 의해 반사경(100) 중심에 가까이 근접시켜 유연힌지(121)가 구비된 변위증폭구조(130)를 배치할 수 있어 조향각 구현이 용이하여, 장대역의 팁틸트 각을 구현할 수 있으며 기존의 배치구조 보다 직경을 획기적으로 줄일 수 있어 소형으로 제작할 수 있는 효과를 가진다.
이상과 같은 본 발명에 의한 변위증폭구조를 이용한 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 반사경 110: 어댑터(adapter)
130: 변위증폭구조 130-1: 제1 변위증폭구조
130-2: 제2 변위증폭구조 130-3: 제3 변위증폭구조
131: 제1 레버 132: 제2 레버
133: 유연힌지 133-1: 제1 유연힌지
133-2: 제2 유연힌지 133-3: 제3 유연힌지
134: 조절부 140: 구동부
150: 압전 액츄에이터(PZT actuator) 160: 베이스
161: 제1 탄성힌지 162: 제2 탄성힌지
163: 제3 탄성힌지 170: 하우징

Claims (6)

  1. 레이저를 반사시키는 반사경;
    상기 반사경을 고정시키는 어댑터;
    상기 어댑터의 하측에 배치되며, 어댑터가 병진운동과 회전운동이 가능하도록 구동되는 복수의 압전 액츄에이터;
    상기 복수의 압전 액츄에이터와 어댑터 사이에 배치되며, 압전 액츄에이터의 각각의 구동을 증폭시켜, 증폭된 구동을 전달하는 복수의 변위증폭구조; 및
    상기 압전 액츄에이터를 고정시키는 베이스를 포함하며;
    상기 복수의 변위증폭구조는, 3개의 변위증폭구조가 서로 평행하게 배치되어 구성되며;
    상기 복수의 압전 액츄에이터는, 3개의 압전 액츄에이터를 구비하고, 평행하게 배치된 3개의 변위증폭구조에 교차하여 배치되며;
    상기 변위증폭구조는,
    상기 압전 액츄에이터에 접하여 구동되는 구동부;
    상기 구동부에 결합되어 일방향으로 회동하는 제1 레버; 및
    상기 제1 레버와 연결되며 상기 제1 레버에 의해 증폭되어 움직이는 제2 레버를 포함하며;
    상기 제2 레버는, 상기 제2 레버의 구동을 어댑터에 전달하여 반사경의 조향각을 조절하는 조절부와 연결되는 것을 특징으로 하는 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 변위증폭구조는,
    상기 제1 레버의 하측과 상기 압전 액츄에이터를 연결하는 구동부;
    상기 베이스와 상기 제1 레버를 연결하는 제1 탄성힌지;
    상기 제1 레버와 상기 제2 레버를 연결하는 제2 탄성힌지;
    상기 베이스와 상기 제2 레버를 연결하는 제3 탄성힌지; 및
    상기 제2 레버와 연결되어 조절부를 구동하는 유연힌지를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 탄성힌지와, 제2 탄성힌지와 제3 탄성힌지 및 유연힌지는 탄성재질로 형성된 것을 특징으로 하는 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 유연힌지는, 조절부의 중앙부 하측에 삼각형 형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 초소형 광학용 미러의 팁틸트 메커니즘.
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