KR20020072249A - 위치화 유닛 및 적어도 두 위치화 유닛을 구비한 위치화장치 - Google Patents

Abstract

위치화 유닛은 적어도 ±10 nm의 해상도를 가진 드라이브를 갖고 있다. 이 구동기는 10 G 이상의 가속도를 러너에 발휘한다. 이 러너는, 500 g 이하의 질량을 가졌고 구동기에 대해 가동적으로 저류되어 있는 모듈과 견고하게 연결되어 있다.

Description

위치화 유닛 및 적어도 두 위치화 유닛을 구비한 위치화 장치{Positioning unit and positioning apparatus with at least two positioning units}

본 발명은, 적어도 ±10 nm의 해상도(분해능력)를 가진 가속 나노 구동기, 러너 및 모듈을 구비하고 있고, 그 모듈은 고정 성분 및 이 고정 성분에 대한 가동적 성분을 갖고 있고 이 가동 성분은 500 g 미만의 질량을 가졌고 구동기에 대해 가동적으로 저류(貯留)되어 있는, 위치화 유닛(위치시키는 장치부품)에 관한 것이다. 그 외에 본 발명은 적어도 두 개의 그런 위치화 유닛을 구비한 위치화 장치에도 관한 것이다.

상기와 같은 위치화 유닛은 예컨대 현미경 하에서 관찰된 물체를 이동시키는데 사용된다. 여기서는 구동기가 특히 높은 분해 능력으로 예정된 위치를 제어하는 것이 중요하다. 이 위치 제어는, 구동기가 러너에 가속도를 일으켜서 그 러너를 구동기에 대해 움직이게 함에 의해 달성된다.

보통 고해상도는 러너가 반복하여 단지 특히 짧은 거리 씩 이동되게 함에 의해 달성된다. 이 거리는 나노미터 범위이고 다수의 그런 짧은 이동 단계들에 의해 러너는 극히 높은 해상도로 위치될 수 있다.

그런 나노 구동기(드라이브)에 있어서는 클램핑(붙들기) 과정과 가속 과정이 구별된다. 클램핑 과정에서는 러너는 클램핑되고 짧은 거리만큼 이동되고 다시 해방된다. 클램프(집게)는 신속히 출발 위치에 복귀하여, 다시 나노미터 범위의 추가 전진을 달성하기 위해 새로이 러너를 클램핑한다.

다른 부류의 나노 구동기는 구동 원리로서 보통 10 G 이상의 비교적 높은 가속도를 이용한다. 그것은 관성 구동기일 수 있거나 또는 가동 성분, 즉 러너를 기계적 펄스파에 의해 가속시키는 구동기일 수 있다. 이 부류의 나노 구동기는 보통 구조가 간단하고 그래서 소형 구성 단위로서 구현될 수 있다. 그런 나노 구동기의 특히 콤팩트한 구조형들은 독일 특허 제 38 44 821 호, 유럽 특허 공고 제 0 611 485 호 및 독일 특허출원 제 44 40 758 호에 기재되어 있다. 이 종류의 나노 구동기는 이하에서 가속 나노 구동기로 지칭될 것이다.

상기한 콤팩트한 가속 나노 구동기를, 500 g 이하의 질량을 갖고 구동기에 상대하여 저류되어 있는 모듈을 위치시키는 데에 이용하는 것에 관해 커다란 관심이 집중되고 있다. 그러나 가속 나노 구동기가 여기에 적합하지 않다는 것이 밝혀졌다.

그런 모듈이 가속 나노 구동기와 접촉하게 될 때에, 성분들이 적절히 배치되었을 경우에도, 가속 나노 구동기와 모듈 사이에는 기술적으로 이용 가능한 전달력은 너무 작아진다. 가속 나노 구동기가 모듈을 가속시키는데 필요한 힘의 수배의 힘을 발휘할 수 있을 때일지라도, 가속 나노 구동기는 안내 모듈의 가동 성분들에 접촉하자마자 가속 나노 구동기는 제동되고 만다.

가속 나노 구동기를 그런 가벼운 모듈을 위치시키는 데에 이용해 보려는 모든 시도는, 구동기의 확대가 우선 성공에 이르지 못했고 특정 구동기 크기부터는 클램핑 동작이 포함되는 작동에 이점이 있었다는 사실에서 좌절되고 말았다.

그래서 본 발명의 목적은 상기한 종류의 위치화 유닛을 가속 나노 구동기가 사용될 수 있도록 개조하는 데에 있다.

이 목적은 러너와 모듈의 가동 성분이 견고하게 서로 연결되고 구동기가 10G 이상의 가속도를 발휘하게 함에 의해 달성된다.

경탄할 방식으로, 러너와 모듈 사이에 견고한 연결이 이루어져 있을 경우에는, 구동기가 모듈에 지지되어 있어서 가속 나노 구동기에 의한 구동 시도가 실패하더라도, 구동기의 전체 성능 능력이 이용될 수 있다는 것을 확인했다.

(그런데 관례적으로는) 나노 구동기를 사용하는 정밀 기계공들은 - 그러한 조절 구동기의 사용시에는 통상적인 것처럼 - 유닛들을 견고히 서로 연결시키기 전에 먼저 이완된 구조에서 구동기와 모듈의 공동 작용을 시험했다. 이들 시험에서는 정규적으로 가속 나노 구동기가 클램핑 구동기 보다 하위(下位)로 취급되어 이 종류의 위치화 유닛을 위해 단지 (상기한) 클램핑 구동기가 사용되었다. 이리하여 나노미터 정밀도를 가진 가속 나노 구동기는 500 g 이하의 질량을 가진 모듈의 위치 지정을 위해 적당하지 못하다고 실무자들은 인식하게 되었다.

(그러나) 이런 인식에 반하여 본 발명에 따라서는 이완된 장치에 의한 사전 시도는 좌절되었지만 러너와 모듈의 가동 성분이 견고하게 서로 연결되게 하였다.

따라서 본 발명은 특히 콤팩트한 구조형을 가진 가속 나노 구동기의 사용에 의해 위치화 유닛의 특히 콤팩트한 구조를 가능하게 한다.

1 mm 이상의 위치화 거리를 가능하게 하는 구동기의 사용이 실제에 있어서는 대단히 유리하다. 이럼으로써 큰 운동 영역에 있어 간단한 조절 위치화가 달성된다.

다수의 기술적 용도를 위해서는 구동기가 적어도 ±1 nm의 해상도를 가지면 유리하다. 1 nm를 초과하는 해상도는 미소 조절 기술에 있어 극히 다양한 용도에서의 사용을 가능하게 한다.

효과적인 구동을 얻기 위해서는, 구동기가 20 G 이상, 바람직하게는 40 G 이상의 가속도를 러너에 발휘할 수 있을 것이 추천된다. 가속도는 바람직한 실시예에서는 500 G 이하, 전형적 방식에서는 50 내지 100 G 범위에 있다. 보통 시간에 걸쳐 그려지는 가속도는 톱니 선을 형성한다. 그러나 가속도는 부드러운 곡선형으로, 예컨대 적당히 라운딩된 굽은 곡선형으로 러너에 나타날 수도 있다.

러너에 본 발명에 따라 가해지는 가속도는 준통계적 클램핑 작동을 위한 경계치로는 10 G 이상이다.

모듈은 구, 롤러 또는 침에 의해 저류(지지)될 수 있다. 평활면, 공기류 또는 자기, 전기 또는 전자기 장 위에 모듈을 저류하는 것도 역시 가능하다. 모듈은 하나 또는 그 이상의 대단히 용이하게 가동적인 성분을 갖고 기준계에 대해 위치고정적인 하나 또는 그 이상의 성분 위에 저류된다. 이때 여러 자유도를 고려하여 모듈을 가동적으로 저류하는 것이 유리하다. 이렇게 함으로써 모듈이 높은 해상도로 소망하는 공간 위치에 위치할 수 있도록, 예컨대 수 개의 구동기가 한 모듈에 작용하게 할 수 있다.

특히 모듈이 100 g 이하의 질량을 가질 때에 콤팩트하고 작은 구조가 얻어질 수 있다. 실제 실시에서 특히 0.2 g 이상의 질량을 가진 모듈에 의해 기능이 우수한 유닛을 구성할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

견고한 연결(부)로서는 접착, 납땜, 용접, 나사 연결, 클램핑 또는 접합과 같은 각종 연결 방법들이 적당하다. 또한 본 발명에 따라 추천되는 연결 종류에는자기적 연결과 같은 분리 가능한 견고 연결법도 언급될 수 있다.

견고한 연결은 실질적으로 유동이 없고 감쇠가 없으면 유리하다. 이것은 구동기로부터 모듈로의 힘 전달의 확실성을 상승시킨다.

본 발명의 바탕을 이루는 과제는, 모듈과 견고하게 연결되어 있는 적어도 두 개의 본 발명에 의한 위치화 유닛을 구비한 위치화 장치에 의해서 또한 해결된다.

다수의 위치화 유닛을 사용하면, xy 테이블, xyz 스탠드, 틸팅 테이블, 측각기, 회전 소자, 문 시스템, 또는 로봇을 구성할 수 있다. 이 경우 위치화 유닛은 횡으로 작용하는 또는 회전체로 작용하는 구동기로 사용될 수 있다.

러너와 모듈 사이의 견고한 연결은 러너와 모듈의 직접 연결에 의해 달성될 수 있고, 마찬가지로 러너와 모듈 사이에는 이들과 견고하게 연결된 중간 소자 또는 조인트가 설정될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 여기서 구동기와 모듈은 횡으로 인접하여 또는 전후로 인접하여 배치될 수도 있고 또는 부분적으로는 횡 인접하고 부분적으로는 전후 인접하여 배치될 수도 있다.

이하에서는 여러 실시예에 따라 본 발명을 상세하게 설명하겠다.

도 1은 가속 나노 구동기와 직선이동 모듈의 공동 작용의 개략도이고,

도 2는 연결 소자를 통해 결합되어 있는 가속 나노 구동기와 직선이동 모듈과의 공동 작용의 개략도이고,

도 3은 조인트 소자가 중간에 연결되어 있는 가속 나노 구동기와 안내 모듈과의 공동 작용의 개략도이고,

도 4는 두 개의 가속 나노 구동기와 xy 테이블로 구성된 한 안내 모듈과의 공동 작용의 개략도이고,

도 5는 한 가속 나노 구동기와 두 안내 모듈과의 공동 작용의 개략도이다.

* 부호 설명 *

1......위치화 유닛2......구동기

3......모듈4......작동자

5......러너6......고정성분

도 1에 도시된 위치화 유닛(1)은 구동기(2) 및 안내 모듈(3)을 갖고 있다. 구동기는, 러너와 가동 성분의 단순 접촉시에는 구동기와 모듈의 가동 성분 사이에 기술적으로 이용 가능한 힘 전달이 될 수 없도록, 형성되어 있다. 구동기(2)는 실질적으로 작동자(4)와 러너(5)로 구성되어 있다. 안내 모듈(3)은 고정 성분(6) 및여기서 이동 가능한 성분(7)으로 구성되어 있다. 현재의 경우, 가동 성분(7)은 화살표(8)에 따라 고정 성분(6)에 대해 직선을 따라 이동 가능하다. 안내 모듈(3)의 가동 성분(7)은 견고한 연결을 통해 - 현재의 경우 용접 심을 통해 - 나노 구동기(2)의 러너(5)와 연결되어 있다.

나노 구동기(2)와 안내 모듈(3)의 가동 성분(7) 사이의 연결이 느슨하여(이완되어) 기술적으로 이용 가능한 힘 전달이 얻어질 수 없는 때에도, 이 구성은 오직 견고한 연결부(9)가 도입되어 있음으로써 동작 구동기를 그런 모듈과 더불어 사용할 수 있게 한다.

추가의 실시형이 도 2에 도시되어 있다. 이 배치(20)에 있어서는 구동기(22)의 러너(25)가 제 1 견고 연결부(29)에 작용하고, 이 연결부는 러너(25)를 연결 소자(30)와 연결시킨다. 이 연결 소자(30)는 추가 연결부(31)를 통해 안내 모듈(23)의 가동 성분(27)과 연결되어 있다. 이에 의해 안내 모듈과 구동기는 서로 인접하여 배치될 수 있다.

그래서 러너(25)의 동작시 안내 모듈(23)의 가동 성분(27)은 연결 소자(30)를 통해 고정 성분(26)에 대해 화살표(28)의 방향으로 이동된다.

본 발명에 의한 위치화 유닛의 추가의 실시형이 도 3에 도시되어 있다. 이 배치(40)에서는 구동기(42)의 러너(45)가 회전 조인트(힌지)(43)의 고정 회전축(46)의 가동 성분(47)에 작용한다. 러너(45)와 회전 조인트(43)의 가동 성분(47) 사이의 연결부는 본 경우에는 회전 조인트(힌지)(49)로서, 이 조인트는 러너(45)와 가동 성분(47) 사이에 임의의 각도 위치를 허락하면서도 이들 부재의견고한 연결을 보장한다. 구동기(42)는 베어링(41)에 회전 가동적으로 설치되어 있다.

따라서 러너(45)가 구동기(42)의 작동자(44)에 대해 움직일 때 회전 조인트(43)의 가동 성분(47)은 회전축(46) 주위로 화살표(48)에 따라 회전된다.

도 4는 배치(50)로서 xy 탁자 용의 본 발명에 의한 위치화 유닛을 이용하는 것을 도시하고 있다. 구동기(52 및 62)는 그의 러너(55 및 65)에 의해 각각 연결 소자(51 및 61)에 작용한다. 이들 연결 소자(51 및 61)는 실질적으로 서로 직각으로 배치되어 있고 xy 탁자(58)의 가동 성분(57)과 연결되어 있다. 화살표(58)의 방향뿐 아니라 이것에 수직 배치된 화살표(68)의 방향으로도 가동 성분(57)이 동작할 수 있도록 하기 위해, 연결부들(51 및 61)은 적어도 약간은 측방으로 플렉시블한 소자로서 형성된다. 이들 연결 소자(51 및 61)는 단순 와이어, 판 스프링 또는 베어링과 상대 베어링을 구비한 복잡한 기계적 조인트로 형성될 수 있다. 가동 성분(57)은 공기 저류부(지지부), 전기적 또는 전자기적 저류부를 통해 xy 탁자와 연결되어 있다.

상기한 실시예들과 유사하게 본 경우에도 러너(55)와 연결 소자(51) 그리고 러너(65)와 연결 소자(61) 사이뿐 아니라 연결 소자(51)와 xy 탁자(58)의 가동 성분(57) 그리고 연결 소자(61)와 xy 탁자의 가동 성분(57) 사이에도 견고한 연결부(53과 54 및 63과 64)가 제공되는 것이 중요하다.

도 5에 도시된 실시예(70)는 가속 나노 구동기(72) 전방 열에 배치된 제 1 안내 모듈(73) 및 제 1 안내 모듈(73)에 병렬로 벗어나 배치되어 있는 제 2 안내모듈(83)을 표시하고 있다. 가속 나노 구동기(72)의 러너(75)는 안내 모듈(73)의 가동 성분(77)에의 견고한 기계적 연결부(79)를 갖고 있다. 그 위에 가동 성분(77)은 예컨대 덮개 판 또는 개방된 프레임일 수 있는 연결 소자(80)에 대한 견고한 기계적 연결부(74)를 갖고 있다. 이 연결 소자(80)는 제 2 안내 모듈(83)의 가동 성분(87)에 대한 견고한 기계적 연결부(84)를 갖고 있다.

그래서 러너(75)가 작동하면 연결 소자(80)는 안내 모듈(73)의 고정 성분(76)과 안내 모듈(83)의 고정 성분(86)에 대하여(상대하여) 화살표(78 및 88)의 방향으로 이동하게 된다.

실시예들은 한 개 또는 그 이상의 가속 나노 구동기 및 한 개 또는 그 이상의 직선적, 회전하는 또는 다축적 안내 모듈의 임의의 조합이 형성될 수 있다는 것을 보여준다.

Claims (10)

1. 적어도 ±10 nm의 해상도(분해능력)를 가진 가속 나노 구동기(2), 러너(5) 및 모듈(6, 7)을 구비하고 있고, 그 모듈은 고정 성분(6) 및 이 고정 성분에 대한 가동적 성분(7)을 갖고 있고 이 가동 성분은 500 g 미만의 질량을 가졌고 구동기(2)에 대해 가동적으로 저류되어 있는, 위치화 유닛(1)에 있어서, 러너(5)와 모듈(6, 7)의 가동 성분들(7)은 견고하게 서로 연결되어 있고 구동기(2)는 10 G 이상의 가속도를 발휘할 수 있는 것을 특징으로 하는 위치화 유닛.
2. 제 1 항에 있어서, 구동기(2)는 1 mm 이상(초과)의 위치화 거리를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 위치화 유닛.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 구동기(2)는 ±1 nm의 해상도(분해능력)를 갖는 것을 특징으로 하는 위치화 유닛.
4. 상기 각 항 중의 한 항에 있어서, 구동기(2)는 20 G 이상, 바람직하게는 40 G 이상의 가속도를 발휘할 수 있는 것을 특징으로 하는 위치화 유닛.
5. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 구동기(2)는 500 G 이하, 바람직하게는 200 G 이하의 가속도를 발휘할 수 있는 것을 특징으로 하는 위치화 유닛.
6. 전항들 중 한 항에 있어서, 모듈의 가동 성분(57)이 수 개의 자유도를 고려하여 가동적으로 저류되는 것을 특징으로 하는 위치화 유닛.
7. 전항들 중 한 항에 있어서, 모듈의 가동 성분(7)이 100 g 이하의 질량을 갖는 것을 특징으로 하는 위치화 유닛.
8. 전항들 중 한 항에 있어서, 모듈의 가동 성분(7)이 0.2 g 이상의 질량을 갖는 것을 특징으로 하는 위치화 유닛.
9. 전항들 중 한 항에 있어서, 견고 연결부(9)는 실질적으로 유극이 없고 감쇠가 없는 것을 특징으로 하는 위치화 유닛.
10. 제 1 항 내지 9 항 중 한 항에 있어서, 두 위치화 유닛(52, 62)을 구비하고 있는 위치화 장치는 모듈의 가동 성분(57)과 견고하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 위치화 유닛.