KR102512821B1 - 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구에 관한 것으로, 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구는 제1스테이지; 상기 제1스테이지와 일정 간격 이격 배치되는 제2스테이지; 상기 제1스테이지와 상기 제2스테이지를 연결하며 회전 대칭 굴곡 메커니즘(Rotationally symmetric flexure mechanism)으로 구성되어 모션 자유도 또는 구속을 인가하는 빔; 및 상기 제1스테이지, 제2스테이지 및 빔을 고정하는 고정힌지부;를 포함하고, 상기 빔은 상기 고정힌지부와 인접한 일측으로 기울어진 기울기를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구 {A FLEXIBLE MECHANISM FOR REALIZING OUT-OF-PLANE 3 DEGREES OF FREEDOM PRECISION MOTION}
본 발명은 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 4분할로 일정한 기울기를 가지며 접혀지도록 구성된 빔을 대칭적으로 배치하여 x축 및 y축에 대한 회전이 동일한 중심점을 기준으로 이루어져 tip-tilt 모션이 동시에 발생할 때 x축 및 y축 방향 강성이 높아져 x축 또는 y축 방향으로 중심점의 선형 변위가 없고, tip-tilt-piston의 3자유도 모션을 구현하여 하부구조로 부터 발생된 변형이 시편 테이블에 전달되는 것을 방지하여 시편의 측정 및 가공의 정확도가 증대되도록 하는 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구에 관한 것이다.
일반적으로, 시편이송장치는 반도체나 FPD의 검사장비나 정밀가공장비 등에 사용되는 측정/가공대상물(이하 ,시편이라 통칭함)을 탑재하여 원하는 장소로 이송하는 장치이다.
그러나, 시편이송장치의 시편테이블은 다음과 같은 이유에 의하여 쉽게 변형될 수 있는데, 첫번째는 가이드부의 가공오차나 진직도 및 편평도의 오차로 인해 슬라이드(즉, 하부구조)를 과구속하기 때문이고, 두번째는 주위 온도가 변할 경우 슬라이드와 시편테이블간의 열팽창 계수 차이로 인해 발생하는 변형량의 차이 때문이며, 특히 슬라이드와 시편테이블이 볼트 등과 같은 체결수단을 통해 과구속된 경우 슬라이드 즉, 하부구조의 변형이 시편 테이블에 그대로 전달되는 문제점이 있다.
따라서, 하부구조의 변형이 상부 구조로 전달되는 것을 막기 위해 상부구조와 하부구조 사이에 변형 전달을 막기 위한 변형흡수용 유연 기구가 장착되고 있다.
또한, 상기한 변형흡수용 유연 기구는 적극적으로 구동기를 사용할 경우 하부 구조의 변형을 통해 상부 구조 즉, 상부 스테이지의 모션을 가이드하는 기구로도 사용될 수 있다.
상기한 유연기구 중 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 예시 1 종래 기술은 도 5에 도시된 바와 같이 folded-beam pairs가 포함된 symmtric diaphragm flexure로 3개의 xy 평면 외 자유도(z,
Figure 112021062727203-pat00001
,
Figure 112021062727203-pat00002
), 3개의 xy 평면 내 구속(
Figure 112021062727203-pat00003
, x, y)을 제공한다.
도 5에 도시된 종래의 3자유도 정밀 모션을 구현한 유연 기구는 높은 면내 강성과 낮은 면외 강성을 통해 동작범위를 늘리는 속성을 제공한다.
그러나, z축 방향 모션 중에 빔의 길이를 유지하기 위해(빔은 bending 방향으로는 잘 변형하지만 길이 방향으로는 잘 늘어나지 못한다.) 각 빔의 자유단 즉,이동부에 연결된 끝단이 각각의 고정단 즉, 고정부에 연결된 끝단 쪽으로 이동하여 이동부가 z축 중심으로 회전하는 경향이 있다.
따라서 면내
Figure 112021062727203-pat00004
방향의 구속이 적절하게 이루어지지 못하게 된다.
이를 방지하기 위해 과구속된 종래 유연기구는 회전 대칭적으로 설계하여
Figure 112021062727203-pat00005
방향의 회전은 없지만 면외 방향 모션이 일어날 때 각각의 빔이 축방향 인장 또는 압축을 받으며 매우 과도하게 구속된다. 이는 면외 방향 모션의 동작범위를 감소시킨다.
따라서, 상기한 종래 기술에서는 회전 대칭 구성을 통해 Diaphragm의 parasitic motion(z축 회전)을 제거하고, 동시에 folded beam 형상을 통해 면외 모션과 관련된 강성을 완화하여 동작범위를 증대시킨다.
또한, 도 5에서 diaphragm 의 원주를 따라 4분할로 folded beam이 배치되어 있으며, folding 횟수 또한 1회이나, 분할의 정도와 folding의 횟수는 더 증대될 수 있다.
이 경우 빔이 추가될 때 마다 면외 방향 강성이 저하되며, 구조가 복잡해지면 자유도와 제약의 정도 사이의 성능 상충 관계를 정확히 예측하여 모델을 설계하는 것이 복잡해진다.
일반적으로 diaphragm flexure의 경우 자유도에 따른 넓은 범위의 운동과 제약의 정도에 따른 parasitic motion의 억제 및 높은 강성의 요구 사항이 서로 상충한다.
상기한 종래기술은 이동부의 모션 자유도 또는 구속을 인가하는 beam이 동일 평면(xy 평면) 상에 위치하며, 구조물들이 이동부의 원주를 따라 외곽에 형성되어 메커니즘의 구현을 위해 xy 평면상에서 이동부 외곽에 공간이 필요하게 된다.
한편, 정밀 모션 제어를 위한 예시 2 종래기술은 도 6에 도시된 바와 같이 rotationally symmetric flexure mechanism(회전 대칭 굴곡 메커니즘)으로 xy평면 외 3자유도(z,
Figure 112021062727203-pat00006
.
Figure 112021062727203-pat00007
)를 구현한다.
구체적으로, 예시 2 종래 기술은 축방향(z축)으로 병진 모션, 면외 방향으로 2개의 회전 모션을 가진 것으로, 축방향 모션은 Diaphragm의 경우와 동일한 원리로 도 6의 b와 같이 beam의 변형을 통해 구현한다.
또한, 회전 방향 모션은 고정부의 힌지부를 통해 구현한다.
고정 힌지부는 각 회전 모션별로 2개씩 총 4개가 있으며, 제작 방식에 따라 각각의 힌지부가 z축 상에서 힌지부의 크기 및 beam의 두께만큼 거리를 두고 위치한다.
이에 따라 각 회전 모션의 회전 중심이 일치하지 못하는 문제가 있을 뿐 아니라 이동부의 모션 자유도 또는 구속을 위한 beam 등의 구조물이 xy 평면 상부로 적층되며 따라서, 메커니즘의 구현을 위해 xy 평면상 상하부에 공간이 필요하게 된다.
따라서, tip-tilt-piston의 3자유도 모션을 구현하여 각 회전 모션의 회전 중심이 일치하고, 메커니즘의 구현을 위해 xy 평면상 상하부에 많은 공간이 필요하지 않도록 설계됨으로써, 슬라이드로부터 발생된 변형이 시편 테이블에 전달되는 것을 방지하여 시편의 측정 및 가공의 정확도가 증대되고 공간이 협소한 경우에도 사용이 가능하며 3차원 공간상에서도 활용도가 증대되도록 구성된 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구에 대한 개발이 요구되고 있다.
[특허 문헌] KR 10-2004-0075445호 (공개일자 2004년 08월 30일)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 모션 자유도와 구속을 인가하는 빔이 소정의 기울기를 갖도록 구성되며, tip 모션을 구현하는 팁모션 고정힌지부 및 tilt 모션을 구현하는 틸트모션 고정힌지부를 포함하여, 상기 고정힌지부가 z축 상에서 동일 평면상에 배치되어 tip - tilt 모션의 회전 중심이 z축 상에서 일치하도록 구성됨으로써, z축의 회전 운동에 대해 높은 강성을 갖고 tip-tilt-piston의 3자유도 모션을 구현하여 슬라이드로부터 발생된 변형이 시편 테이블에 전달되는 것을 방지하여 시편의 측정 및 가공의 정확도가 증대되도록 하는 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구는 제1스테이지; 상기 제1스테이지와 일정 간격 이격 배치되는 제2스테이지; 상기 제1스테이지와 상기 제2스테이지를 연결하며 회전 대칭 굴곡 메커니즘(Rotationally symmetric flexure mechanism)으로 구성되어 모션 자유도 또는 구속을 인가하는 빔; 및 상기 제1스테이지, 제2스테이지 및 빔을 고정하는 고정힌지부;를 포함하고, 상기 빔은 상기 고정힌지부와 인접한 일측으로 기울어진 기울기를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 고정힌지부는 3축으로 회전하는 방향의 운동 중 팁(tip) 모션을 구현하는 팁모션 고정힌지부; 및 틸트(tilt) 모션을 구현하는 틸트모션 고정힌지부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 고정힌지부는 상기 팁모션 고정힌지부 및 틸트모션 고정힌지부 각각이 대향하여 배치되는 한 쌍으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 고정힌지부는 상기 팁모션 고정힌지부 및 틸트모션 고정힌지부가 z축 상에서 동일 평면상에 배치되어 팁(tip)과 틸트(tilt) 모션의 회전 중심이 z축 상에서 일치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구의 자유도 및 구속을 부여하기 위한 변수는 상기 고정힌지부의 높이(
Figure 112021062727203-pat00008
), 고정힌지부의 폭(
Figure 112021062727203-pat00009
), 슬릿 사이의 거리(B), 빔의 경사도(θ), 외경(D₁) 및 내경(D₂)에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 변수들의 관계식은,
Figure 112021062727203-pat00010
로 구성되어 z축 병진 및
Figure 112021062727203-pat00011
,
Figure 112021062727203-pat00012
등 x와 y축 중심 회전 운동에 대한 강성을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 빔의 경사도(θ)는 상기 고정힌지부의 높이(
Figure 112021062727203-pat00013
), 고정힌지부의 폭(
Figure 112021062727203-pat00014
), 슬릿 사이의 거리(B)가 작을수록 감소하며, 상기 빔의 경사도(θ)의 최소값은,
Figure 112021062727203-pat00015
인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 제1스테이지 및 상기 제2스테이지 중 선택된 어느 하나에 외부인자와의 체결이 이루어질 때 상기 외부인자와의 체결 높이(A)는 상기 빔의 경사도(θ)가 증가할수록 감소하여, 유연 기구의 전체 높이(H)가 고정될 수 있도록 하며, 상기 체결 높이(A)는,
Figure 112021062727203-pat00016
로 결정되어, 체결이 가능한 범위로 상기 체결 높이(A)의 최소값(
Figure 112021062727203-pat00017
)이 보장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 고정힌지부는 통전된 와이어가 선형으로 관통하여 가공된 WEDM(Wire Electrical Discharge Machining)를 통한 단일 몸체(Monolithic Structure)에 제작되는 것을 특징으로 한다.
아울러 본 발명에 따른 상기 빔의 경사는 원주 상 거리에 선형하는 기울기를 갖거나 원주가 xz 평면 또는 yz 평면에 투영되었을 때 투영면에서의 거리에 선형하는 기울기를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구에 의하면, 모션 자유도와 구속을 인가하는 빔이 소정의 기울기를 갖도록 구성되며고정힌지부가 z축 상에서 동일 평면상에 배치되어 tip - tilt 모션의 회전 중심이 z축 상에서 일치하도록 구성됨으로써, x축 및 y축에 대한 회전이 동일한 중심점을 기준으로 이루어져 tip-tilt 모션이 동시에 발생할 때 모멘트에 의한 x축 및 y축 방향의 강성이 높아지고 x축 또는 y축 방향으로 중심점의 선형 변위가 없으며, tip-tilt-piston의 3자유도 모션을 구현하여 슬라이드로 부터 발생된 변형이 시편 테이블에 전달되는 것을 방지하여 시편의 측정 및 가공의 정확도가 증대되도록 하는 효과가 있다.
또한, xy평면 방향으로 공간이 협소한 경우 사용이 유리하며 3차원 공간상에서 활용도가 큰 효과가 있다.
또한, WEDM(Wire Electrical Discharge Machining)을 통해 단일 몸체(Monolithic Structure)로 구성됨으로써, 마찰손실이 없고 윤활이 필요 없으며 히스테리시스가 없고, 소형의 기구에서의 적용 및 제작이 용이한 효과가 있다.
아울러, 단일 몸체로 구성되어 조립이 필요 없으며, 유지 보수가 필요하지 않아 경제적인 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구의 전반적인 구성을 나타내는 제1구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구의 전반적인 구성을 나타내는 제2구성도이다.
도 3(a)는 제1스테이지 및 제2스테이지의 외경 및 내경의 배치 구조를 나타내는 도이다.
도 3(b)는 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구의 세부적인 구성을 나타내는 제1단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구의 세부적인 구성을 나타내는 제2단면도이다.
도 6은 유연기구의 종래 기술 예시1의 구성을 나타내는 도이다.
도 7은 유연기구의 종래 기술 예시2의 구성을 나타내는 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구의 전반적인 구성을 나타내는 제1구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구의 전반적인 구성을 나타내는 제2구성도이다.
본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구(1)는 종래의 rotationally symmetric flexure mechanism을 개선한 구성으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 고정부와 이동부를 연결하는 빔이 일정한 기울기를 갖도록 구성되어 힌지부가 tip 모션 및 tilt모션을 구현할 수 있도록 하여 힌지부가 z축 상에서 같은 평면상에 존재할 수 있어 tip과 tilt 모션의 회전중심이 z축 상에서 일치할 수 있도록 한다.
또한, 지정된 좌표 원점에서 3축으로 회전하는 방향의 운동을 tip. tilt, yaw 운동으로 정의하고, 3축으로 병진하는 방향의 운동은 plane, piston 운동으로 정의한다.
따라서, 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구(1)는 3자유도 모션 즉, tip-tilt-piston 모션을 구현하기 위한 유연 기구로써, 모션별로 2개의 고정힌지부(400)로 이루어진 대칭적인 구조에서 회전 중심이 동일한 tip-tilt 모션을 동시에 구현할 수 있도록 한다.
이에, 본 발명에 따른 유연 기구(1)는 외력이 인가되었을 때 회전하는 중심이 일치하도록 설계된 구성이 본 발명의 가장 중요한 고려 요소일 수 있다.
또한, 상기 유연 기구(1)는 tip, tilt의 두 회전 모션의 중심이 일치하며, 동시에 구조물 밖의 임의의 위치에 설정할 수 있어(Diaphragm 구조에서는 불가) 요구되는 tip, tilt 방향의 구동을 위한 가이드 장치를 설계할 때 적용될 수 있도록 한다.
따라서, 시스템에서 각각이 요구되는 특성에 따라 동일한 메커니즘을 유지하면서 회전하는 중심만을 유연하게 변경하여 설계할 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구(1)는 제1스테이지(100), 제2스테이지(200), 빔(300) 및 고정힌지부(400)를 포함할 수 있다.
상기 제1스테이지(100) 및 제2스테이지(200)는 본 발명에 따른 유연 기구(1)의 상면 및 하면을 구성하는 것으로, 일정 간격을 갖도록 이격배치되며 상기 빔으로 연결되어 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1스테이지(100) 및 상기 제2스테이지(200)는 이동부 및 고정부일 수 있으며, 이동부 및 고정부와 연결되는 접촉 부분일 수 도 있다
또한, 상기 제1스테이지(100) 및 상기 제2스테이지(200)는 상부구조 및 하부구조와 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1스테이지(100) 및 상기 제2스테이지(200)는 시편테이블 및 슬라이스와 접촉할 수도 있다.
상기 빔(300)은 상기 제1스테이지(100)와 상기 제2스테이지(200)를 연결하며 회전 대칭 굴곡 메커니즘(Rotationally symmetric flexure mechanism)으로 구성되어 모션 자유도 또는 구속을 인가할 수 있다.
또한, 상기 빔(300)은 상기 고정힌지부와 인접한 일측으로 기울어진 기울기를 갖도록 구성되어, 상기 고정힌지부(400)가 z축 상에서 동일 평면상에 배치되어 tip - tilt 모션의 회전 중심이 z축 상에서 일치하도록 구성됨으로써, x축 및 y축에 대한 회전이 동일한 중심점을 기준으로 이루어져 tip-tilt 모션이 동시에 발생할 때 x축 또는 y축 방향으로 중심점의 선형 변위가 없고(즉, 모멘트에 의한 x축 및 y축 방향 강성이 높고) tip-tilt-piston의 3자유도 모션을 구현하여 슬라이드로 부터 발생된 변형이 시편 테이블에 전달되는 것을 방지할 수 있도록 한다.
또한, 외경과 내경 및 전체 높이는 전체 메커니즘의 외곽 크기를 결정하는 변수로서, 일반적으로 메커니즘 외부의 환경에 제약을 받을 수 있다.
또한, 상기 빔(300)은 기울어진 경사도(θ)가 상기 고정힌지부의 높이(
Figure 112021062727203-pat00018
), 고정힌지부의 폭(
Figure 112021062727203-pat00019
), 슬릿 사이의 거리(B)가 작을수록 감소한다.
또한, 상기 빔(300)의 경사도(θ)가 증가할수록 외부인자와의 체결이 이루어지는 체결 높이(A)가 감소한다.
이는, 상기 유연기구(1)의 전체 높이(H)가 결정될 수 있도록 한다.
또한, 상기 빔(300)은 원주에 선형되거나, 투영면에 선형되도록 구성될 수 있다.
상기 고정힌지부(400)는 상기 제1스테이지(100), 제2스테이지(200) 및 상기 빔(300)을 고정하는 구성으로, 빔(300)의 기울기 방향과 회전 대칭 굴곡 메커니즘의 길이 방향의 교차점일 수 있다.
또한, 상기 고정힌지부(400)는 3축으로 회전하는 방향의 운동 중 팁(tip)모션을 구현하는 팀모션 고정힌지부(410) 및 틸트(tilt)모션을 구현하는 틸트모션 고정힌지부(420)를 포함하며, 상기 팀모션 고정힌지부(410) 및 틸트모션 고정힌지부(420) 각각이 대향하여 배치되는 한 쌍으로 구성될 수 있다.
따라서, 상기 고정힌지부(400)는 마주보고 배치되는 팁(tip)모션 고정힌지부 한 쌍 및 마주보고 배치되는 틸트(tilt)모션 고정힌지부 한 쌍으로 구성되어 4개의 고정힌지부(400)를 갖는다.
또한, 상기 고정힌지부(400)는 상기 팁(tip)모션 고정힌지부 및 틸트(tilt)모션 고정힌지부가 z축 상에서 동일 평면상에 배치되어 팁(tip)과 틸트(tilt) 모션의 회전 중심이 축 상에서 일치하도록 한다.
또한, 상기 고정힌지부(400)는 통전된 와이어가 선형으로 관통하여 가공된 WEDM(Wire Electrical Discharge Machining)을 통한 단일 몸체(Monolithic Structure)에 제작될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 유연 기구(1)는 단일 몸체(Monolithic Structure)로 구성된 것으로, 구성품 간의 접합이나 체결없이 제작되어 체결등에 의한 마찰이 없으므로 정밀도가 현저하게 향상될 수 있다.
또한, 상기 단일몸체의 구성을 위해 통전된 와이어가 몸체를 선형으로 관통하여 양단이 가공기에 취부되는 WEDM(Wire Electrical Discharge Machining)을 통해 가공될 수 있도록 한다.
따라서, WEDM(Wire Electrical Discharge Machining)을 통한 단일 몸체(Monolithic Structure)의 구성은 마찰손실이 없고 윤활이 필요 없으며 히스테리시스가 없을 뿐 아니라 소형 기구에서의 적용 및 제작이 용이한 효과가 있다
도 3(a)는 제1스테이지 및 제2스테이지의 외경 및 내경의 배치 구조를 나타내는 도이고, 도 3(b)는 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구의 세부적인 구성을 나타내는 제1단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구의 세부적인 구성을 나타내는 제2단면도이다.
한편, tip, tilt 방향 회전 중심의 일치를 위한 빔(300)의 경사는 고정힌지부(400)의 크기와 전체 메커니즘 즉, 전체 유연기구(1) 크기에 관계한다.
구체적으로, 메커니즘의 형상을 결정하는 변수를 표현하면, 도 3(a), 도 3(b) 및 도 4와 같으며, 이중 외경(D₁)과 내경(D₂), 전체 높이(H)는 전체 메커니즘의 외곽 크기를 결정하는 변수로서 일반적으로 메커니즘 외부의 환경 예를들면, 배치 가능한 최대 공간, 내부에 위치하는 부품의 크기와 같은 환경에 제약을 받는다.
또한, 상기 유연 기구(1)의 자유도 및 구속을 부여하기 위한 변수는 상기 고정힌지부(400)의 높이(
Figure 112021062727203-pat00020
), 고정힌지부(400)의 폭(
Figure 112021062727203-pat00021
), 슬릿(500) 사이의 거리(B), 빔(300)의 경사도(θ), 외경(D₁) 및 내경(D₂)에 의해 결정되며, 이들의 형상에 따라 각 방향별 강성이 결정될 수 있다.
내경 및 외경은 외부 조건에 따라 제약이 발생하는 반면 나머지 네 변수는 설계 과정에서 아래 [수식 1]에 따라 조정될 수 있다.
따라서, z축의 회전 운동에 대한 강성을 결정하는 상기 변수들의 관계식은 [수식 1]과 같으며, [수식 1]을 통해 내경을 포함하여 독립적으로 지정할 수 있는 변수는 5개임을 알 수 있다.
[수식 1]
Figure 112021062727203-pat00022
이 때, 모든 변수는 양수이다,
또한, 고정힌지부(400)의 높이(
Figure 112021062727203-pat00023
)는 슬릿(500)의 높이이기도 하며, 상기 슬릿(500)은 상기한 바와 같이 WEDM(Wire Electrical Discharge Machining) 공정을 통해 형성된다.
따라서, 고정힌지부의 높이(
Figure 112021062727203-pat00024
)는 WEDM에 사용되는 와이어의 최소 직경 이상이어야 한다.
또한, 메커니즘의 변형 시에 접촉이 발생하는 것을 방지하기 위해 최대 변형량 이상으로 설정해야 한다.
또한, 상기 빔의 경사도(θ)는 고정힌지부의 높이(
Figure 112021062727203-pat00025
), 고정힌지부의 폭(
Figure 112021062727203-pat00026
), 두 슬릿 사이의 거리(B)가 작을수록 감소한다.
또한, 이들 값이 0 이하가 될 수 없으므로 빔의 경사도(θ)는 다음 [수식 2]와 같은 최소값을 갖는다.
[수식 2]
Figure 112021062727203-pat00027
이 때, 상기한 변수들을 모두 결정하면 유연기구(1) 위와 아래에 위치한 외부인자와의 체결 높이(A)가 자동으로 결정된다.
구체적으로, 상기 제1스테이지(100) 및 상기 제2스테이지(200) 중 선택된 어느 하나에 외부인자와의 체결이 이루어질 때, 상기 외부인자와의 체결 높이(A)는 상기 빔의 경사도(θ)가 증가할수록 감소하여, 유연 기구의 전체 높이(H)가 고정될 수 있도록 한다.
따라서, 상기 체결 높이(A)는 체결이 가능한 범위로 상기 체결 높이(A)의 최소값(
Figure 112021062727203-pat00028
)이 보장되어야 한다.
따라서, 상기 체결 높이(A)와 체결 높이의 최소값(
Figure 112021062727203-pat00029
)은 다음 [수식 3]과 같은 관계를 갖는다.
[수식 3]
Figure 112021062727203-pat00030
한편, 상기한 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 원기둥 형상이나 사각 기둥 형상으로 변형하여 적용될 수 있으며, 도시되지는 않았지만 다양한 다각 기둥 형상으로 적용실시 될 수도 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구에 의하면, 모션 자유도와 구속을 인가하는 빔이 소정의 기울기를 갖도록 구성되며고정힌지부가 z축 상에서 동일 평면상에 배치되어 tip - tilt 모션의 회전 중심이 z축 상에서 일치하도록 구성됨으로써, x축 및 y축에 대한 회전이 동일한 중심점을 기준으로 이루어져 tip-tilt 모션이 동시에 발생할 때 모멘트에 의한 x축 및 y축 방향의 강성이 높아지고 x축 또는 y축 방향으로 중심점의 선형 변위가 없으며, tip-tilt-piston의 3자유도 모션을 구현하여 슬라이드로 부터 발생된 변형이 시편 테이블에 전달되는 것을 방지하여 시편의 측정 및 가공의 정확도가 증대되도록 하는 효과가 있다.
또한, xy평면 방향으로 공간이 협소한 경우 사용이 유리하며 3차원 공간상에서 활용도가 큰 효과가 있다.
또한, WEDM(Wire Electrical Discharge Machining)을 통해 단일 몸체(Monolithic Structure)로 구성됨으로써, 마찰손실이 없고 윤활이 필요 없으며 히스테리시스가 없고, 소형의 기구에서의 적용 및 제작이 용이한 효과가 있다.
아울러, 단일 몸체로 구성되어 조립이 필요 없으며, 유지 보수가 필요하지 않아 경제적인 장점이 있다.
이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
1 : 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구
100 : 제1스테이지 200 : 제2스테이지
300 : 빔 400 : 고정힌지부
410 : 팁(tip)모션 고정힌지부 420 : 틸트(tilt)모션 고정힌지부
500 : 슬릿

Claims (10)

  1. 제1스테이지;
    상기 제1스테이지와 일정 간격 이격 배치되는 제2스테이지;
    상기 제1스테이지와 상기 제2스테이지를 연결하며 회전 대칭 굴곡 메커니즘(Rotationally symmetric flexure mechanism)으로 구성되어 모션 자유도 또는 구속을 인가하는 빔; 및
    상기 제1스테이지, 제2스테이지 및 빔을 고정하는 고정힌지부;를 포함하고,
    상기 빔은,
    상기 고정힌지부와 인접한 일측으로 기울어진 기울기를 갖도록 구성되며,
    3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구의 자유도 및 구속을 부여하기 위한 변수는,
    상기 고정힌지부의 높이(
    Figure 112022122065228-pat00047
    ), 고정힌지부의 폭(
    Figure 112022122065228-pat00048
    ), 슬릿 사이의 거리(B), 빔의 경사도(θ), 외경(D₁) 및 내경(D₂)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고정힌지부는,
    3축으로 회전하는 방향의 운동 중 팁(tip) 모션을 구현하는 팁모션 고정힌지부; 및
    틸트(tilt) 모션을 구현하는 틸트모션 고정힌지부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 고정힌지부는,
    상기 팁모션 고정힌지부 및 틸트모션 고정힌지부 각각이 대향하여 배치되는 한 쌍으로 구성되는 것을 특징으로 하는 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 고정힌지부는,
    상기 팁모션 고정힌지부 및 틸트모션 고정힌지부가 z축 상에서 동일 평면상에 배치되어 팁(tip)과 틸트(tilt) 모션의 회전 중심이 z축 상에서 일치하는 것을 특징으로 하는 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 변수들의 관계식은,
    Figure 112022122065228-pat00033

    로 구성되는 것을 특징으로 하는 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 빔의 경사도(θ)는,
    상기 고정힌지부의 높이(
    Figure 112022122065228-pat00036
    ), 고정힌지부의 폭(
    Figure 112022122065228-pat00037
    ), 슬릿 사이의 거리(B)가 작을수록 감소하며,
    상기 빔의 경사도(θ)의 최소값은,
    Figure 112022122065228-pat00038

    인 것을 특징으로 하는 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1스테이지 및 상기 제2스테이지 중 선택된 어느 하나에 외부인자와의 체결이 이루어질 때 상기 외부인자와의 체결 높이(A)는,
    상기 빔의 경사도(θ)가 증가할수록 감소하여, 유연 기구의 전체 높이(H)가 고정될 수 있도록 하며,
    상기 체결 높이(A)는,
    Figure 112022122065228-pat00039

    로 결정되어,
    체결이 가능한 범위로 상기 체결 높이(A)의 최소값(
    Figure 112022122065228-pat00040
    )이 보장되는 것을 특징으로 하는 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 고정힌지부는,
    통전된 와이어가 선형으로 관통하여 가공된 WEDM(Wire Electrical Discharge Machining)를 통한 단일 몸체(Monolithic Structure)에 제작되는 것을 특징으로 하는 면외 3자유도 정밀 모션 구현을 위한 유연 기구.
  10. 삭제
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