KR19990070384A - 6축 초정밀 위치결정기구 - Google Patents

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KR19990070384A
KR19990070384A KR1019980005195A KR19980005195A KR19990070384A KR 19990070384 A KR19990070384 A KR 19990070384A KR 1019980005195 A KR1019980005195 A KR 1019980005195A KR 19980005195 A KR19980005195 A KR 19980005195A KR 19990070384 A KR19990070384 A KR 19990070384A
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Abstract

본 발명은 삼각형 모양의 대칭적 구조를 갖는 공기베어링 타입의 수직선형모터와 수평선형모터로 수직방향의 움직임과 수평방향의 움직임을 완전히 독립시킴과 동시에 상대적으로 큰 작동범위를 갖는 6축 초정밀 위치결정기구에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 서브마이크론 이하의 정밀위치제어를 필요로 하는 구동장치(10,20,30,40)의 베이스판(1,21,31,41)을 기준으로 이동테이블(5,25,43)을 다수의 자유도로 제어하기 위한 수평작동수단(6,7,8,24,42,42a,44b)과 수직작동수단(2,3,4,44a,44c) 및 공기베어링(26,32,32',45)을 포함하는 6축 초정밀 위치결정기구에 있어서, 상기 베이스판(50)에 고정된 요크부(61)의 슬릿(62a,62b)에 고리모양으로 수직하게 결합되는 코일부(68)와 어댑터(69)를 구비하여 상기 이동테이블(51)의 하면에 결합된 수평선형모터(60)들과; 상기 수평선형모터(60)에 결합된 상기 이동테이블(51)을 상기 베이스판(50)에서 비접촉식으로 지지하는 공기패드(74)와 전자석코일(77) 및 센서홀더(75)를 구비한 공기베어링부(71)가 형성된 수직선형모터(70)들과; 상기 수평 및 수직선형모터(60,70)들을 제어하는 제어부(도시안됨)를 포함하며, 상기 수직선형모터(60)들과 상기 수직선형모터(70)들은 120°내각을 갖는 두개의 삼각형상으로 상기 이동테이블(51)의 하면에 대칭되게 배치되며, 상기 수평선형모터(60)들의 길이에 비례한 큰 작동범위를 갖는 것을 특징으로 하는 6축 초정밀 위치결정기구가 제공된다.

Description

6축 초정밀 위치결정기구
본 발명은 6축 초정밀 위치결정기구에 관한 것이며, 특히, 평면방향의 X축, Y축, 회전각θ를 갖는 요우(yaw)작동의 3개의 자유도와, 수직방향의 Z축, 피치(pitch)작동, 롤(roll)작동의 3개의 자유도를 자유롭게 조정하여 반도체공정중 리도그래피(lithography)에서 웨이퍼(wafer)를 이송 및 정렬(align)해주는데 응용될 수 있고, 또한, 그 외에도 정밀광학기기의 이송장치와 고밀도자기기록장치등의 서브마이크론 이하의 정밀위치제어를 필요로 하는 구동장치에 사용되는 6축 초정밀 위치결정기구에 관한 것이다.
현재에는 반도체 기술과 제어기술의 급속한 진보가 컴퓨터를 비롯한 일렉트로닉스 응용 제품이 진보, 개량되고 있다. 또한, 컴퓨터 산업의 발달로써 산업사회에서는 일렉트로닉스기술과 기존의 산업기술의 기반이 되는 메커니컬기술이 밀접하게 합하여 메카트로닉스(mechatronics)와 같은 새로운 기술분야가 생겼다. 이런 추세에 더불어 CNC(computer numerical control)기술이 급부상 하게 되었고, 이런 CNC기술을 이용한 공장자동화(factory automation)가 이루어지게 되었다. 이러한 공장자동화 기술 중에서 반도체의 가공기술 및 초정밀 위치제어에 사용되는 초정밀 위치결정기구는 마이크론에서 서브마이크론의 정밀도로 미세하게 작동하면서, 공작물의 위치를 정확하게 구동시키기 때문에, 더욱 더 세밀하고 정밀한 제품을 제작하는데 사용된다.
여기에서 사용되는 6축 좌표계는 뉴우튼의 오른손 법칙에 준하며, 원점 O를 기준으로 X축과 Y축으로 형성된 기준평면에 수직한 주축인 Z축을 갖는 직각좌표계이다. 또한, 상기 원점 O에 놓여진 물체의 롤(roll)작동은 상기 물체가 상기 X축을 중심으로 회전하는 것이고, 또한, 피치(pitch)작동은 상기 물체가 상기 Y축을 중심으로 회전하는 것이며, 또한, 요우(yaw)작동은 상기 물체가 상기 Z축을 중심으로 소정의 회전각 θ로 회전하는 것이다.
종래 기술에 따른 초정밀 위치제어기구에는 도 1내지 도 4에 도시된 바와 같이, 6축 초정밀 메카니즘(10 ; six-axis micromotion mechanism)과, 다중 좌표 드라이브(20 ; multi-coordinate drive)와, 리니어 가이드(30 ; linear guide) 및, 무브먼트 가이딩 메카니즘(40 ; movement guiding mechanism)과 같이 컴퓨터 제어기술에 작동하는 위치제어기구들이 있다.
먼저, 도 1에 보이듯이, 6축 초정밀 메카니즘(10)은 기준평면인 베이스판(1)과, Z축방향으로의 수직승강 및 하강작동과 롤작동 및 피치작동을 수행하기 위한 3개의 수직 압전 액츄에이터(2,3,4 ; piezo actuators)들과, 이런 수직 압전 액추에이터(2,3,4)들에 지지되는 작동면(5)과, 이런 작동면(5)을 X축과 Y축방향으로 직선작동과 요우작동을 수행하기 위한 3개의 수평압전 액츄에이터(6,7,8)들과, 상기 다수의 액츄에이터(2,3,4,6,7,8)들의 위치제어에 사용되는 레이저 센서부(도시안됨) 및 제어시스템(도시안됨)으로 구성되어 있다.
이렇게 구성된 6축 초정밀 메카니즘(10)은 반도체 리도그래피에 사용되는 웨이퍼 정렬장치로서, 상기 작동면(5)에 6축방향으로 결합된 다수의 압전 액츄에이터(2,3,4,6,7,8)가 상기 제어시스템에서 공급되는 제어신호에 따라 작동면(5)을 서브마이크론의 이동시키며, 상기 레이저 센서부에 의해서 6축방향의 작동면(5)의 위치를 정밀하게 제어하는 것이다.
그러나, 이런 6축 초정밀 메카니즘은 다수의 압전 액츄에이터를 사용하였기 때문에 비록 위치정밀도가 서브마이크론으로 높지만 큰 범위의 움직임을 얻을 수 가 없으며, 큰 범위의 움직임을 위해서는 긴 행정을 갖는 또다른 메커니즘을 필요로한다. 또한, 6축 초정밀 메카니즘은 상기 작동면을 수직하게 지지하는 다수의 수직 압전 액츄에이터에 의해서 상기 작동면이 상기 X축,Y축방향의 직선작동과 요우작동방향으로 움직이는 것이 제한되는 단점이 있다.
또한, 도 2에 보이듯이, 다중 좌표 드라이브(20)는 유리판으로 형성된 기준평면인 베이스판(21)과, 이런 베이스판(21)의 상면에 배치된 전자코일(22)과 영구자석(23)을 구비한 4개의 BLDC(brush less direct current)타입의 직선모터(24)와, 이런 직선모터(24)에 의해서 X축, Y축방향의 직선작동과 소정각도 θ로 요우작동하는 3개의 자유도를 갖는 무빙평면(25)을 상기 베이스판(21)에 지지하는 공기 베어링(26) 및, 제어시스템(도시안됨)으로 구성되어 있다.
또한, 다중 좌표 드라이브(20)에 사용되는 BLDC타입의 직선모터(24)는 세가닥의 전선이 감겨진 전자코일(22)이 차례로 120°위상변화에 따른 수평이동력을 발생시켜 상기 무빙평면(25)을 작동시키는 것이다. 따라서, 이런 다중 좌표 드라이브(20)는 상기 제어시스템에 의해서 상기 BLDC타입의 직선모터(24)가 무빙평면(25)을 수평방향으로 움직임으로써, X축,Y축방향의 이동 및 회전각θ로 요우작동시키는 3개의 자유도를 서브마이크론의 수준으로 위치제어한다. 또한, 이런 다중 좌표 드라이브(20)는 상기 무빙평면(25)을 통상적인 공기 베어링(26)에 의해 비접촉식으로 안내할 수 있다.
그러나, 이런 다중 좌표 드라이브는 BLDC타입의 모터를 사용하기 때문에 상기 구조가 복잡하고 그 제어법칙도 까다로운 단점이 있다. 또한, 이런 다중 좌표 드라이브는 무엇보다도 Z축방향의 움직임을 제어할 수 없는 단점이 있다.
또한, 도 3에 보이듯이, 일본특허 평1-216120에서 찾아볼 수 있는 리니어 가이드(30)는 공기가 공급될 수 있게 급기구(33)가 형성된 공기베어링(32,32')들과 마그네트(35)를 구비한 슬라이드부(36)와, 이런 슬라이드부(36)의 마그네트(35)에 밀착하는 흡착판(34)이 부착되어 있고, 상기 슬라이드부(36)의 공기베어링(32,32')들이 미끄러지는 가이드면(31a)을 갖는 가이드레일부(31)로 구성되어 있다.
이렇게 구성된 리니어 가이드(30)는 급기되는 공기베어링(32,32')의 강성을 높이기 위해 영구자석(35)과 흡착판(34)을 이용하여 공기베어링(32,32')의 틈사이(39)를 좁히는 방법을 제안하였다.
그러나, 이런 리니어 가이드는 실재로 정밀 위치결정기구에 사용된 것이 아니고, 단순히 공기베어링의 강성을 높이는 것을 목적으로 하며, 선형모터로서의 역할은 전혀 없다.
또한, 도 4에 보이듯이, 미국특허 제 5,040,431인 무브먼트 가이딩 메카니즘(40)은 베이스판(41)을 기준으로 트윈구동액츄에이터(42a)에 의해 Y축방향(c)으로 작동하는 Y축작동대(42)와, 이런 Y축작동대(42)에 비접촉식으로 이동하는 공기패드(도시안됨)를 구비한 이동테이블(43)과, 이런 이동테이블(43)과 Y축작동대(42)를 지지하면서 X축방향(a)과 Z축방향(b)으로 작동하는 구동액츄에이터를 구비한 커플링 플래이트(44a,44b,44c)와, 상기 베이스판(41)에 고정되어 상기 커플링 플래이트(44a,44b,44c)의 공기패드(도시안됨)를 비접촉식으로 지지하는 가드레일(47a,47b)로 구성되어 있다. 또한, 무브먼트 가이딩 메카니즘(40)에는 공기패드에서 발생되는 진동을 막기위한 영구자석(도시안됨)이 배치되어 있으며, 상기 이동테이블(43)의 정확한 작동을 제어하기 위해 급기호스(46)를 구비한 공기베어링 타입 또는 전자석 타입의 브래이크유니트(45) 및 제어시스템(도시안됨)을 갖는다.
이렇게 구성된 상기 무브먼트 가이딩 메카니즘(40)은 상기 이동테이블(43)을 X축, Y축방향(a,c)으로 동시에 움직일 경우에, Y축방향(c)의 움직임에 의한 진동이나 롤링작동 등의 오차가 상기 영구자석의 자력에 의해서 감쇠되므로써 수평이동이 안정적이며, 또한 X축방향(a)의 움직임에 영향을 끼치지 않는다. 또한, 상기 무브먼트 가이딩 메카니즘(40)의 트윈구동액츄에이터(42a)는 베이스평면(41)에 수평한 회전방향의 작은량의 회전각을 제어 할 수 있게 되어 있다.
그러나, 이런 무브먼트 가이딩 메카니즘은 큰 각으로 회전을 할 경우에 상기트윈액츄에이터의 작동이 제한되기 때문에, X축, Y축방향으로 안내 기능에 영향을 주게 되는 단점이 있다.
결론적으로, 상기와 같이 살펴본 종래 기술에 따른 초정밀 위치결정기구들인 6축 초정밀 메카니즘과, 다중 좌표 드라이브와, 리니어 가이드 및, 무브먼트 가이딩 메카니즘은 다축방향의 위치결정을 서브마이크론 이하로 조정할 수 있지만, 시스템이 복잡하며, 다축방향의 위치결정의 자유도 작동시에 서로 간섭을 일으키는 단점이 있다.
또한, 상기 종래의 위치결정기구들은 평면방향의 움직임에 대해서는 자유롭지만, 소정각도 θ의 회전방향으로 요우작동이 제한되는 단점이 있다.
또한, 상기 종래의 위치결정기구들은 서브마이크론이하의 제어가 가능하지만 위치의 작동범위가 매우 작은 단점이 있다.
또한, 상기 종래의 위치 결정기구들은 서브마이크론이하의 제어를 위한 복잡한 구성과 부수적인 시스템이 추가로 필요한 단점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수직방향의 움직임을 제어하기 위해 삼각형 모양의 대칭적 구조를 갖는 공기베어링 타입의 수직선형모터와 평면방향의 움직임을 제어하기 위한 수평선형모터로 평면방향의 움직임과 수직방향의 움직임을 완전히 독립시킴과 동시에 상대적으로 큰 작동범위를 갖는 6축 초정밀 위치결정기구를 제공하려는 것이다.
도 1 내지 도 4는 종래 기술에 따른 초정밀 위치결정기구의 구성을 설명하기 위한 사시도.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 6축 초정밀 위치결정기구의 구성을 설명하기 위해 소정부위를 절취한 사시도.
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 6축 초정밀 위치결정기구의 중요부위의 결합관계를 설명하기 위한 사시도 및 단면도.
도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시된 6축 초정밀 위치결정기구의 다른 중요부위의 결합관계를 설명하기 위한 사시도 및 단면도.
도 8은 도 5에 도시된 6축 초정밀 위치결정기구의 작동을 설명하기 위한 저면도.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
50 : 베이스판 51 : 이동테이블
60 : 수평선형모터 61 : 요크부
65 : 영구자석 68 : 코일부
70 : 수직선평모터 73 : 오리피스
75 : 센서홀더 76 : 공기주입파이프
77 : 전자석코일 k,m,m',m" : 자기장
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 서브마이크론 이하의 정밀위치제어를 필요로 하는 구동장치의 베이스판을 기준으로 이동테이블을 다수의 자유도로 제어하기 위한 수평작동수단과 수직작동수단 및 공기베어링을 포함하는 6축 초정밀 위치결정기구에 있어서, 상기 베이스판에 고정된 요크부의 슬릿에 고리모양으로 수직하게 결합되는 코일부와 어댑터를 구비하여 상기 이동테이블의 하면에 결합된 수평선형모터들과; 상기 수평선형모터에 결합된 상기 이동테이블을 상기 베이스판에서 비접촉식으로 지지하는 공기패드와 전자석코일 및 센서홀더를 구비한 공기베어링부가 형성된 수직선형모터들과; 상기 수평 및 수직선형모터들을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 수직선형모터들과 상기 수직선형모터들은 120°내각을 갖는 두개의 삼각형상으로 상기 이동테이블의 하면에 서로 대칭되게 배치되며, 상기 수평선형모터들의 길이에 비례한 큰 작동범위를 갖는 것을 특징으로 하는 6축 초정밀 위치결정기구가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 수직선형모터들의 상기 전자석코일은 상기 베이스판과 상기 공기패드의 사이에 형성된 공기층간극을 안정되게 유지하기 위해서 상기 공기베어링부의 내부에서 상기 공기패드와 상기 베이스판과 상기 센서홀드를 관통하는 자기장을 발생시킬 수 있게 결합되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 수평선형모터들은 상기 수직선형모터들의 작동시에 상기 이동테이블의 하면에서 상기 어댑터로 결합된 코일부가 상기 요크부의 영구자석에 접촉되지 않게 공기층을 형성하고 있는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 상기 공기베어링부에 고압의 공기를 공급하는 공기공급원과 상기 코일부 및 상기 전자석코일에 제어전류를 공급하는 전원을 포함하며, 상기 센서홀더의 위치센서의 신호를 피드백하여 제어하는 것이 바람직하다.
아래에서, 본 발명에 따른 6축 초정밀 위치결정기구의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 6축 초정밀 위치결정기구의 구성을 설명하기 위해 소정부위를 절취한 사시도이고, 도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 6축 초정밀 위치결정기구의 중요부위의 결합관계를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이며, 도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시된 6축 초정밀 위치결정기구의 또다른 중요부위의 결합관계를 설명하기 위한 사시도 및 단면도이며, 도 8은 도 5에 도시된 6축 초정밀 위치결정기구의 작동을 설명하기 위한 저면도이다.
도 5에 있어서, 본 발명의 한 실시예에 따른 6축 초정밀 위치결정기구는 베이스판(50)의 원점을 중심으로 배치된 정삼각형을 이루는 세개의 수평선형모터(60)들이 배치되어 있다. 또한, 이런 수평선형모터(60)의 상부방향으로 삼각판 형상의 이동테이블(51)이 배치되어 있다. 이런 삼각판 형상의 이동테이블(51)의 중심부의 하방향에는 상기 베이스판(50)과 비접촉식으로 평면이동하면서 상기 이동테이블(51)을 수직방향으로 지지하는 세개의 공기베어링타입의 수직선형모터(70)들이 배치되어 있다. 또한, 이런 6축 초정밀 위치결정기구는 상기 수평선형모터(60)의 위치제어에 필요한 위치센서인 통상적인 업계에 널리 알려진 레이져인터페로미터(laser interferometer)를 포함하며; 상기 수평선형모터(60)와 수직선형모터(70)에 전류를 공급하기 위한 전원(도시안됨)과 상기 수직선형모터(70)의 공기베어링부(71)에 고압의 공기를 공급하기 위한 공기공급원 및 다수의 센서들을 제어하기 위한 통상적인 업계에 널리 알려진 제어장비들을 구비한 제어부(도시안됨)가 외부에 배치되어 있다.
아래에서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 6축 초정밀 위치결정기구의 중요부위인 수직선형모터(70)의 구성에 대해서 설명하겠다.
도 6a에 보이듯이, 수직선형모터(70)들은 이동테이블(51)의 수직방향의 3자유도인 Z축방향의 움직임과 롤작동 및 피칭작동을 수행할 수 있게 이동테이블(51)과 베이스판(50)의 사이에서 공기베어링부(71)가 하방향으로 향하게 배치되어 있다. 이렇게 배치된 각각의 수직선형모터(70)들은 삼각형 이동테이블(51)의 하면의 중심부에서 120°간격으로 역삼각형을 이루면서 배치되어 있다.
도 6b에 보이듯이, 수직선형모터(70)들은 이동테이블(51)의 하면에 결합되는 원형봉형상의 상부(72)에서 하방향으로 연장된 공기베어링부(71)로 형성되어 있다. 이런 수직선형모터(70)의 공기베어링부(71)의 하면에는 다수의 오리피스(73)가 형성된 공기패드(74)가 일체형으로 형성되어 있으며, 또한, 이런 공기베어링부(71)의 내부에는 센서홀더(75)와 다수의 공기주입파이프(76) 및 다수의 중공형 파이프 형상의 전자석코일(77)로 구성되어 있다.
아래에서, 상기와 같이 구성된 수직선형모터(70)의 결합관계에 대해서 설명하겠다.
먼저, 수직선형모터(70)의 상부(72)의 단면은 이동테이블(51)의 소정위치의 하면에 접착식으로 고정되어 있다. 또한, 이런 수직선형모터(70)의 상부(82)의 반대방향에 일체형으로 형성된 공기베어링부(71)의 내부의 중심에는 베이스판(50)의 상면과 공기패드(74)의 하면의 사이에 형성된 공기층간극(hg)을 측정할 수 있는 위치센서(도시안됨)가 수납된 센서홀더(75)가 수직하게 부착되어 있다. 이렇게 부착된 센서홀더(57)의 하단부는 공기패드(75)의 중심에서 내부방향으로 관통된 구멍의 끝선단면의 안쪽에 위치하게 베이스판(50)의 상면으로 부터 소정간극(h0)을 갖는다.
이렇게 고정된 센서홀더(75)를 중심으로 공기베어링부(71)의 상부와 관통된 다수의 공기주입파이프(76)들의 상부는 외부에서 소정크기로 압력이 제어된 고압의 공기가 주입될 수 있게 외부에 배치된 공기공급부와 관통하게 결합되어 있으며, 그 하부는 공기베어링부(71)의 공기패드(74)에 형성된 다수의 오리피스(73)들과 각각 관통하게 고정되며, 이런 오리피스(73)들을 통하여 고압의 공기가 하방향으로 분사되게 결합되어 있다. 따라서, 이런 공기주입파이프(76)들에 공급되는 고압의 공기는 오리피스를 통하여 하방향으로 분사되므로써 베이스판(50)의 상면과 공기베어링부(71)의 공기패드(74)의 사이에 형성된 공기층간극(hg)을 수직방향으로 넓히게 하는 척력 Fair bearing을 발생시킨다. 더욱 구체적으로 설명하면, 공기베어링부(71)들은 상부에 접착된 이동테이블(51)을 공기중에 뜨게 할 수 있는 척력 Fair bearing을 다음과 같이 가지게 된다.
Fair bearing=function(hg, Po, n, d, Ro, Ri)·················(1)
(1)식으로 표시되는 hg는 수 μm길이를 갖는 공기층간극이고, P0은 공급기압이며, n은 오리피스(73)의 개수이고, d는 오리피스의 지름이며, R0은 공기패드(73)의 바깥 반지름이고, Ri는 공기패드(73)의 안쪽 지름이다. 따라서, 공기베어링부(71)의 척력 Fair bearing은 일정하게 공급되는 소정크기의 공기압에 의해서 일정한 인력을 갖고 수직선형모터(70)를 안정하게 지지하면서 비접촉식으로 수직선형모터(70)를 유지시켜 준다.
또한, 이런 공기베어링부(71)의 내부에는 다수의 전자석코일(77)이 상기 다수의 공기주입파이프(76)를 감싸게 각각 고정되어 있다. 또한, 전자석코일(77)은 외부에 배치되어 소정크기의 자기장(k)을 발생시킬 수 있는 전원을 구비한 제어부에 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 전자석코일(77)은 제어부로부터 보내진 동일하거나 각기 다른 제어신호에 따라서 자기장(k)을 발생시키며, 이렇게 발생된 자기장(k)이 공기베어링부(71)의 공기패드(74)와 베이스판(50) 및 센서홀더(75)를 따라 흘러서 상기 공기층간극(hg)을 수직방향으로 좁히게 하는 인력 Fattrac을 발생시킨다. 더욱 구체적으로 설명하면 전자석코일(77)은 다음과 같은 인력 Fattrac를 가지게 된다.
(2)식으로 표시되는 N은 코일의 감은 수이고, I는 제어부의 전원에서 공급되는 전류, μ0는 진공에서의 도자율이며, A는 마주치는 전자석의 유효 단면적이고, h0는 베이스판(50)의 상면과 센서홀더(75)의 수직거리이다. 따라서, 상기 N과, μ0과, A및, h0는 상수값이기 때문에,전자석코일(77)의 인력 Fattrac은 제어부에서 공급되는 전류 I에 의해서 그 크기가 제어된다.
또한, 상기와 같이 자기장(k)에 의한 인력 Fattrac와 고압 공기에 의한 척력 Fair bearing을 발생시키는 수직선형모터(70)들은 상기 수직선형모터(70)가 선형적으로 제어되기 위해서 상기 센서홀더(75)의 위치센서의 피드백 신호로 폐루프 제어를 수행하게 된다.
이때, 이런 수직선형모터(70)들은 피드백 신호를 제어하는 제어부에 의해서 공기베어링부(71)의 인력 Fattrac과 척력 Fair bearing의 평형점에서 공기층 간극(hg)이 결정되며, 또한 상기 전자석코일(77)의 인력 Fattrac를 발생시키는 제어부의 공급 전류량을 제어하므로써 Z축 방향의 변위를 제어할 수 있게 된다.
따라서, 상기 수직선형모터(70)들은 베이스판(50)의 상면과 소정크기의 공기층간극(hg)을 두고 비접촉하게 되고, X축과 Y축으로 이루어진 수평방향의 운동에 자유롭게 된다. 또한, 이런 수직선형모터(70)들은 외부에 배치된 제어부에서 공기베어링부(71)의 인력을 작게 혹은 크게하는 전류를 동일하게 전달시킬 경우에 이동테이블(51)이 Z축방향으로 동일하게 직선운동되며, 두개의 수직선형모터(70)를 일정하게 유지하고 다른 하나의 Z축방향의 변위를 제어하면 롤작동과 피치작동하게 된다.
상기와 같이 삼각형 형상으로 배치된 수직선형모터(70)를 포함하는 6축 초정밀 위치결정기구는 전류 0∼2A가 공급될 경우에 30nm(1nm = 10-9m)의 정밀도로 Z축방향의 최대 이동 범위가 50μm(1μm = 10-6m)까지 작동이 가능하며, 또한 0.6arcsec(1aresec = 1/3600˚)의 정밀도로 롤작동과 피치작동을 최대 103arcsec까지 수행한다.
아래에서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 6축 초정밀 위치결정기구의 또다른 중요부위인 수평선형모터(60)의 구성에 대해서 설명하겠다.
여기에서 사용하는 수평선형모터(60)는 보이스 코일 모터(voice coil motor)형식이며, 이런 보이스 코일 모터의 유도 기전력은 플래밍의 왼손법칙에 의해 구할 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 보이듯이, 베이스판(50)의 상면에는 삼각형상의 기준점을 중심으로 삼각형상의 꼭지점을 통과하는 연장선과 수직한 방향으로 세개의 요크부(61)가 배치되어 있으며, 이런 세개의 요크부(61)와 십자가 형상으로 겹치는 방향으로 세개의 직사각 코일부(68)들이 배치되어 있다. 또한, 이런 직사각 코일부(68)들의 상방향에는 이동테이블(51)이 배치되어 있다.
상기와 같이 배치된 세개의 동일형상의 요크부(61)는 측면에 관통한 두개의 수평한 슬릿(62a,62b)이 형성될 수 있게 두개의 직각 "U"자 형상의 상부결합체(61a)와 하부결합체(61b) 및 결합판(64)으로 구성된 블럭형상으로 형성되어 있다. 또한, 요크부(61)의 두개의 상부 및 하부결합체(61a,61b)에는 요크부(61)와 동일한 폭과 소정두께를 갖는 판형상의 영구자석(65)들이 N극과 S극이 서로 상반되게 각각 부착되어 있다. 이렇게 부착된 각각의 영구자석(65)들은 요크부(61)의 상부결합부(61b)와 하부결합부(61a)에서 각각 안쪽 방향으로 소정크기의 튜브형상의 자기장(m)을 각각 형성하고 있다.
또한, 이런 요크부(61)의 측면방향으로 관통하게 삽입되는 직사각형상의 코일부(68)는 전류의 방향을 변환시킬 수 있는 전류를 공급하는 제어부와 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 상기 코일부(68)의 길이방향의 끝단부의 상면에는 이동테이블(51)의 하면에 소정간극을 두고 결합될 수 있게 어댑터부(69)가 형성되어 있다.
아래에서, 상기와 같이 형성된 수평선형모터(60)의 결합관계에 대해서 설명하겠다.
먼저, 수평선형모터(60)의 세개의 요크부(61)의 하부결합체(61a)는 개구된 부위가 상향으로 베이스판(50)의 상면에서 삼각형의 소정지점에 각각 고정되어 있다. 상기와 같이 고정된 하부결합체(61a)의 개구된 안쪽으로 십자형상을 이루게 상기 코일부(68)가 각각 안착되어 있다. 또한, 요크부(61)의 결합판(64)은 이런 하부결합체(61a)에 안착된 코일부의 직사각 내경(68')을 수직하게 관통하여 하부결합체(61a)의 단부에 일치하게 되어 결합되어 있다. 또한, 이런 결합판(64)의 상면의 양 끝단부에는 개구된 부위가 하향으로 향한 상부결합체(61b)가 결합되어 있다. 이렇게 결합된 상부결합체(61b)와 결합판(64) 및 하부결합체(61a)는 수직하게 관통하는 다수의 볼트(63)에 의해서 베이스판(50)에 나사결합되어 고정되어있다. 따라서, 직사각 형상의 코일부(68)는 요크부(61)의 상부결합체(61b)와 하부결합체(61a) 및 결합판(64)에 의해 형성된 두개의 슬릿(62a,62b)을 지면방향으로 관통하며, 결합판(64)과 상부 및 하부결합체(61a,61b)의 영구자석(65)의 사이에서 소정간극의 공기층(66)을 형성하게 결합되어 있다. 또한, 이렇게 결합된 코일부(65)의 어댑터부(69)는 이동테이블(51)의 하면에서 고정볼트(53)들에 의해서 고정되며, 이동테이블(51)을 지지하게 결합된다.
이렇게 결합된 이동테이블(51)과 세개의 코일부(68)들은 베이스판(50)에 고정된 요크부(61)의 두개의 슬릿(62a,62b)의 공기층(65)을 형성하며, 이와 동시에 상기 이동테이블(51)을 비접촉으로 지지하는 수직선형모터(70)의 공기베어링부(71)에 의해서 베이스판(50)의 상부의 공기중에 떠있게 된다.
도 7b 및 도 7c에 보이듯이, 상기와 같이 결합된 본 발명의 6축 초정밀 위치결정기구의 수평선형모터(60)는 플래밍의 왼손법칙에 준하여 각각의 코일부(68)에 공급되는 전류의 방향과 영구자석(65)에서 발생되는 자기장(m)의 방향에 의해서 힘 Fact를 구할수 있다.
예를들면, 요크부(61)의 상부결합체(61b) 쪽의 자기장(m')은 하방향으로 향하며, 코일부(68)의 상단에 공급되는 전류가 지면쪽으로 들어가는 방향으로 흐를경우에, 플래밍의 왼손법칙에 따라 코일부(68)에 인가되는 힘은 우측방향으로 발생된다.
이와 동시에 요크부(61)의 하부결합체(61a)의 쪽의 자기장(m")은 상방향으로 향하게 된다. 또한, 상기 코일부(68)의 상단에서 공급된 상기와 동일한 전류는 코일부(78)의 하단을 따라 흘러서 지면쪽으로 나오는 방향으로 흐르게 되기 때문에, 상기와 동일한 우측방향으로 코일부(68)가 우측방향으로 움직이게 된다. 이때, 제어부의 신호에 의해서 상기 코일부(68)를 좌측방향으로 움직이기 위해서는 코일부(68)에 공급되는 전류의 방향을 반대반향으로 흘려주면 된다.
상기와 같은 원리로 발생되는 수평선형모터(60)의 유도 기전력 Fact는 다음과 같은 값을 가지게 된다.
Fact=n⋅B⋅i⋅l·················(3)
(3)식으로 표시되는 n은 코일의 감은 수이고, B는 공기층간격에서의 마그네틱 플럭스이며, i는 전류이고, l은 코일의 유효길이이다. (3)식에서 n과 B와 l은 상수값이므로 추력상수 ks로 대체하면,
Fact=ks⋅i·················(4)
따라서, 각각의 수평선형모터(60)들은 공급되는 전류값에 의해서 발생되는 유도 기전력 Fact의 세가지 분력 F1, F2, F3을 발생시킨다. 또한, 제어부는 상기와 같이 발생된 수평선형모터(60)들의 분력 F1, F2, F3을 벡터제어하므로써 X축,Y축방향으로의 이동과 Z축을 중심으로 소정의 회전각 θ로 회전하는 요우작동하게 상기 이동테이블(51)을 서브마이크론으로 제어하게 된다. 이렇게 작동하는 수평선형모터(60)는 상기 요크부(61)의 두개의 슬릿(62a,62b)의 길이에 비례하게 상대적으로 큰 작동범위를 갖게된다.
또한, 상기와 같이 작동되는 본 발명의 6축 초정밀 위치결정기구의 레이져인터페로미터는 이동테이블(51)의 값을 측정하여 각각의 수평선형모터(60)와 수직선형모터(70)에 공급될 전류의 값을 정하게 된다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 6축 초정밀 위치결정기구는 120°간격으로 배치된 수평선형모터로 요우작동과 X축, Y축방향의 수평이동이 자유로우며, 이렇게 수평이동시에 비접촉하는 공기베어링타입의 수직선형모터로 Z축방향의 이동과 롤작동 및 피치작동이 서로 간섭을 일으키지 않고 완전히 독립될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 6축 초정밀 위치결정기구는 폐회로식의 피드백 제어와 공급되는 전류의 크기에 따라서 서브마이크론 이하의 위치제어가 가능하며, 6개의 수직 및 수평선형모터가 대칭구조를 갖기 때문에 열변화에 대해서 상당히 강인한 장점이 있다.
또한, 본 발명의 6축 초정밀 위치결정기구의 수직선형모터는 공기베어링의 역활을 함과 동시에 Z축방향의 변위를 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 6축 초정밀 위치결정기구의 수평선형모터는 보이스 코일 모터 형식으로 간단한 구조를 갖으면서 높은 성능과 비교적 간단한 제어방법을 갖는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 6축 초정밀 위치결정기구에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (4)

  1. 서브마이크론 이하의 정밀위치제어를 필요로 하는 구동장치(10,20,30,40)의 베이스판(1,21,31,41)을 기준으로 이동테이블(5,25,43,51)을 다수의 자유도로 제어하기 위한 수평작동수단(6,7,8,24,42,42a,44b)과 수직작동수단(2,3,4,44a,44c) 및 공기베어링(26,32,32',45)을 포함하는 6축 초정밀 위치결정기구에 있어서,
    상기 베이스판(50)에 고정된 요크부(61)의 슬릿(62a,62b)에 고리모양으로 수직하게 결합되는 코일부(68)와 어댑터(69)를 구비하여 상기 이동테이블(51)의 하면에 결합된 수평선형모터(60)과; 상기 수평선형모터(60)들에 결합된 상기 이동테이블(51)을 상기 베이스판(50)에서 비접촉식으로 지지하는 공기패드(74)와 전자석코일(77) 및 센서홀더(75)를 구비한 공기베어링부(71)가 형성된 수직선형모터(70)들과; 상기 수평 및 수직선형모터(60,70)들을 제어하는 제어부(도시안됨)를 포함하며, 상기 수직선형모터(60)들과 상기 수직선형모터(70)들은 120°내각을 갖는 두개의 삼각형상으로 상기 이동테이블(51)의 하면에 서로 대칭되게 배치되며, 상기 수평선형모터(60)들의 길이에 비례한 큰 작동범위를 갖는 것을 특징으로 하는 6축 초정밀 위치결정기구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수직선형모터(70)들의 상기 전자석코일(77)은 상기 베이스판(50)과 상기 공기패드(74)의 사이에 형성된 공기층간극(hg)을 안정되게 유지하기 위해서 상기 공기베어링부(71)의 내부에서 상기 공기패드(74)와 상기 베이스판(50)과 상기 센서홀드(75)를 관통하는 자기장(k)을 발생시킬 수 있게 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 6축 초정밀 위치결정기구.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수평선형모터(60)들은 상기 수직선형모터(70)들의 작동시에 상기 이동테이블(51)의 하면에서 상기 어댑터(69)로 결합된 코일부(68)가 상기 요크부(61)의 영구자석(65)에 접촉되지 않게 공기층(66)을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 6축 초정밀 위치결정기구.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부(도시안됨)는 상기 공기베어링부(71)에 고압의 공기를 공급하는 공기공급원(도시안됨)과 상기 코일부(68) 및 상기 전자석코일(77)에 제어전류를 공급하는 전원(도시안됨)을 포함하며, 상기 센서홀더(75)의 위치센서의 신호를 피드백하여 제어하는 것을 특징으로 하는 6축 초정밀 위치결정기구.
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