KR20020080611A - 초정밀 위치결정시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초정밀 위치결정시스템을 개시한다. 본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템은 베이스와 이 베이스에 대하여 운동할 수 있도록 베이스의 상측에 배치되는 모션스테이지와, 이 모션스테이지를 6자유도운동시키는 제1 내지 제6 이송기구들로 이루어져 있다. 제1 내지 제6 이송기구들은 베이스와 모션스테이지에 일측이 각각 고정되어 있다. 제1 내지 제3 이송기구의 구성은 동일하며, 제4 내지 제6 이송기구의 구성은 동일하다. 제1 내지 제3 이송기구는 각각 하나의 압전소자 구동기와 압전소자 구동기의 양측에 설치되며 탄성의 원형힌지를 갖는 두 개의 힌지요소들을 구비하고 있으며, 제4 내지 제6 이송기구는 각각 하나의 압전소자 구동기와 원형힌지를 갖는 세 개의 힌지부재들과 노치형 힌지를 갖으며 힌지부재들과 연동하는 하나의 레버부재를 구비하고 있다. 본 발명에 의하면, 마이크로미터 이하 수준의 다자유도 미세 운동을 정확하게 수행할 수 있다. 또한, 탄성을 갖는 힌지구조에 의하여 간섭에 의한 마모가 없고 매우 높은 반복 정밀도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 연속적이고 원활한 미세 운동을 수행할 수 있다. 또한, 모션스테이지 자체의 강성이 높고 높이가 낮으며 온도 변화 또는 온도구배에 대하여 영향이 적은 효과가 있다.

Description

초정밀 위치결정시스템{ULTRA-PRECISION POSITIONING SYSTEM}
본 발명은 초정밀 위치결정시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로 미터 이하 수준의 다자유도 미세 운동을 정확하게 수행할 수 있는 초정밀 위치결정시스템에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 산업현장의 각 분야에서 초정밀급 위치결정기술의 중요성은 날로 증대되고 있다. 특히, 반도체 기술의 발전은 회로의 고집적화를 불러온 결과, 최신 마이크로프로세서의 경우 사용되는 선폭이 0.18㎛ 수준으로 머리카락 굵기의 1/500 수준이며, 이 경우 웨이퍼를 제작하는 스테이지에 요구되는 정밀도는 선폭의 1/10 수준으로 20㎚의 재현성(Reproducibility)이 요구된다. 또한, 서브미크론 수준의 초정밀 이송장치의 구현은 원자간력현미경(AFM; Atomic Force Microscope), 주사형전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)등의 초정밀 측정분야와 정보산업등의 산업분야에서도 활용될 수 있는 등 그 응용범위가 광범위하다.
리니어모터를 이용하거나 서보모터와 볼스크류를 이용하는 일반적인 위치결정장치는 비교적 긴 행정거리를 가지고 있으나 백래시등의 구조적인 한계로 인하여 구현할 수 있는 위치정밀도에 한계가 있다. 또한, 일반적인 위치결정장치에서는 수직방향의 운동을 얻기 위하여 구동기(Actuator) 자체를 수직방향으로 배열함으로써 시스템 전체의 높이가 높아지는 단점이 있다. 이것은 높은 정밀도를 필요로 하는작업에서 수직방향의 위치를 제어하는데 많은 어려움을 수반시킨다.
한편, 마이크로미터 이하 수준으로 운동하는 초정밀 위치결정장치는 비선형적인 요인을 제거하거나 최소화하기 위하여 마찰하는 부분이 없도록 설계되어야 한다. 뿐만 아니라, 구동기 자체도 마이크로미터 이하의 수준으로 쉽게 구동되며, 반복성이 높은 요소를 사용하여야 한다. 또한, 위치결정장치의 높이를 가능한 낮게 설계할 필요가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로미터 이하 수준의 다자유도 미세 운동을 정확하게 수행할 수 있는 초정밀 위치결정시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 탄성을 갖는 힌지구조에 의하여 간섭에 의한 마모가 없고 매우 높은 반복 정밀도를 유지할 수 있는 초정밀 위치결정시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 연속적이고 원활한 미세 운동을 수행할 수 있는 초정밀 위치결정시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 모션스테이지 자체의 강성이 크고 전체 높이가 낮은 초정밀 위치결정시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 온도 변화 또는 온도구배에 대하여 영향이 적은 초정밀 위치결정시스템을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템은 베이스와; 베이스에 대하여 운동할 수 있도록 베이스의 상부에 배치되는 모션스테이지와; 베이스에 대하여 모션스테이지를 X축병진운동시키며, 제1 구동기와 원형힌지를 갖는 제1 및 제2 힌지요소로 구성되는 제1 이송수단과; 베이스에 대하여 상기 모션스테이지를 Y축병진운동 및 Z축회전운동시키며, 제2 구동기와 원형힌지를 갖는 제1 및 제2 힌지요소로 구성되는 제2 이송수단과; 제2 이송수단과 협동하여 베이스에 대하여 모션스테이지를 Y축병진운동 및 Z축회전운동시키며, 제3 구동기와 원형힌지를 갖는 제1 및 제2 힌지요소로 구성되는 제3 이송수단과; 베이스에 대하여 모션스테이지를 X축회전운동시키며, 제4 구동기와, 원형힌지를 갖는 제1 및 제2 힌지부재와, 제2 힌지부재와 연동하는 제1 레버부재와, 제1 레버부재와 연동하는 제3 힌지부재로 구성되는 제4 이송수단과; 제1 내지 제4 이송수단의 제1 내지 제4 구동기를 제어하는 제어수단으로 이루어져 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템을 나타낸 평면도,
도 3은 본 발명의 모션스테이지를 분리하여 베이스와 제1 내지 제6 이송기구의 구성을 나타낸 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템의 제어수단을 설명하기 위하여 나타낸 블록도,
도 5는 본 발명에 따른 베이스의 구성을 나타낸 사시도,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제1 이송기구의 구성을 나타낸 사시도 및 분리사시도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제4 이송기구의 구성을 나타낸 사시도 및 분리사시도,
도 8은 본 발명에 따른 원형힌지의 구성을 설명하기 위하여 부분적으로 나타낸 정면도,
도 9는 본 발명에 따른 제2 이송기구와 제3 이송기구 사이의 거리를 구하기 위한 모델을 나타내는 도면,
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 제4 이송기구의 작용을 나타낸 단면도이다.
♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
10: 베이스20: 모션베이스
30: 제1 이송기구31: 제1 압전소자 구동기
32: 제1 힌지요소33: 제2 힌지요소
40: 제2 이송기구41: 제2 압전소자 구동기
42: 제1 힌지요소43: 제2 힌지요소
50: 제3 이송기구51: 제3 압전소자 구동기
52: 제1 힌지요소53: 제2 힌지요소
60: 제4 이송기구61: 제4 압전소자 구동기
62: 제1 힌지부재63: 제2 힌지부재
67: 제3 힌지부재68: 제1 레버부재
70: 제5 이송기구71: 제5 압전소자 구동기
72: 제1 힌지부재73: 제2 힌지부재
80: 제6 이송기구81: 제6 압전소자 구동기
90: 컨트롤러
이하, 본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 초정밀 위치결정시스템은 고정적으로 설치되는 베이스(10)와, 베이스(10)의 상부에 위치하며 베이스(10)에 대하여 6자유도 운동을 수행하는 모션스테이지(20)와, 베이스(10)에 대하여 모션스테이지 (20)를 6자유도 운동시키는 제1 이송기구(30), 제2 이송기구(40), 제3 이송기구 (50), 제4 이송기구(60), 제5 이송기구(70)와 제6 이송기구(80)를 구비한다. 제1 이송기구(30)는 베이스(10)에 대하여 모션스테이지(20)를 도 1에 도시한 바와 같이X축병진운동시킨다. 제2 이송기구(40)와 제3 이송기구(50)는 협동하여 베이스(10)에 대하여 모션스테이지(20)를 Y축병진운동과 Z축회전운동시킨다. 제4 내지 제6 이송기구(60, 70, 80)는 협동하여 베이스(10)에 대하여 모션스테이지(20)를 Z축병진운동, X축회전운동 및 Y축회전운동시킨다.
도 3을 참조하면, 제1 내지 제3 이송기구(30, 40, 50) 각각은 제1 내지 제3 압전소자 구동기(31, 41, 51)와, 제1 내지 제3 압전소자 구동기(31, 41, 51) 각각의 양단에 고정적으로 정렬되어 스테이지 구동부를 구성하는 원형힌지(32a, 42a, 52a)를 갖는 제1 힌지요소(32, 42, 52)와 원형힌지(33a, 43a, 53a)를 갖는 제2 힌지요소(33, 43, 53)를 구비한다. 그리고, 제4 내지 제6 이송기구(60, 70, 80) 각각은 제4 내지 제6 압전소자 구동기(61, 71, 81)와, 제4 내지 제6 압전소자 구동기(61, 71, 81) 각각의 양단에 고정적으로 정렬되어 스테이지 구동부를 구성하는 원형힌지(62a, 72a, 82a)를 갖는 제1, 제4, 제7 힌지부재(62, 72, 82)와 원형힌지(63a, 73a, 83a)를 갖는 제2, 제5, 제8 힌지부재(63, 73, 83)를 구비한다. 또한, 제4 내지 제6 이송기구(60, 70, 80) 각각은 제3, 제6, 제8 힌지부재(67, 77, 87)와 제1, 제2, 제3 레버부재(68, 78, 88)를 더 포함하고 있다. 원형힌지는 탄성힌지로서 힘과 변위의 관계가 선형적이고 재질자체의 탄성변형을 이용하여 변형운동을 한다. 또한, 원형힌지는 접촉면에서의 상대운동이 없으므로 미소변위의 구동이 연속적이며, 원활한 운동궤적을 제공한다. 그리고, 취성재질은 피로나 과도한 힘에 의한 파괴 메카니즘을 용이하게 예측할 수 있으므로, 힌지구조를 탄성-취성(Elastic-Brittle) 재질을 이용하여 제작할 경우 매우 높은 반복정밀도를 가지는 시스템에적용하기가 쉽다. 한편, 본 실시예에서는 압전소자 구동기가 사용되고 있으나, 압전소자 구동기 대신에 음성코일 구동기(Voice Coil Actuator) 또는 자기구동기 (Magnetic Actuator)가 적용될 수 있다.
제1 이송기구(30)는 베이스(10)의 X축중심선에 정렬되어 있으며, 모션스테이지(20)에 고정되는 쪽에 위치되는 제1 이송기구(30)의 제2 힌지요소(33)의 힌지 (33a)의 중심은 모션스테이지(20)의 중심과 일치되어 있다. 도 3에는 제1 이송기구 (30)의 힌지(33a)의 중심이 베이스(10) 또는 모션스테이지(20)의 중심인 X축중심선과 Y축중심선의 교차점과 일치되어 있음이 잘 나타나 있다. 제2 이송기구(40)와 제3 이송기구(50)는 베이스(10)의 Y축중심선과 나란하게 정렬되어 있고, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 제2 이송기구(40)와 제3 이송기구(50)의 제2 힌지요소(43, 53)의 힌지(43a, 53a)는 각각 X축중심선에 정렬되어 있다. 제4 이송기구(60)는 베이스(10)의 X축중심선의 상측에 X축중심선과 나란하도록 정렬되어 있으며, 모션베이스 (20)에 고정되는 쪽에 위치되는 제4 이송기구(60)의 힌지(63a)는 베이스(10)의 Y축중심선에 정렬되어 있다. 제5 이송기구(70)와 제6 이송기구(80) 각각은 베이스(10)의 X축중심선의 하측에 X축중심선과 나란하고 Y축중심선에 대하여 서로 대칭되도록 정렬되어 있다. 제4 이송기구(60)와 제5 및 제6 이송기구(70, 80)는 X축중심선에 대하여 후술하는 바와 같이, 일정한 간격(D)(도 1참조)을 두고 이격되어 설치된다.
도 4에는 본 발명의 초정밀 위치결정시스템을 제어하기 위한 블록도가 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템은 모션스테이지 (20)를 초정밀 운동시키기 위하여 제1 내지 제6 압전소자 구동기(31, 41, 51, 61, 71, 81) 각각을 구동시키는 구동신호를 출력하고 제어하는 컨트롤러(90)와, 컨트롤러(90)로부터의 구동신호를 증폭하여 제1 내지 제6 압전소자 구동기(31, 41, 51, 61, 71, 81) 각각에 입력하는 제1 내지 제6 증폭기(91a∼91f)와, 제1 내지 제6 이송기구(30, 40, 50, 60, 70, 80)에 의하여 운동하는 모션스테이지(20)의 운동 위치를 감지하는 제1 내지 제6 센서(92a∼92f)를 구비한다. 본 실시예에 있어서 제1 내지 제6 센서(92a∼92f) 각각은 모션스테이지(20)의 상면에 부착되는 미러(도시 안됨)와 이 미러에 레이저빔을 주사하는 레이저를 갖는 레이저 인터페로미터(Laser Interferometer)(도시 안됨)에 의하여 구성할 수 있다. 그리고, 도 2와 도 3에 보이는 바와 같이, 제1 내지 제6 압전소자 구동기(31, 41, 51, 61, 71, 81)와 컨트롤러(90)는 케이블(93)에 의하여 전기적으로 접속되어 있다.
컨트롤러(90)의 제어에 의하여 제1 내지 제6 압전소자 구동기(31, 41, 51, 61, 71, 81) 각각의 구동신호가 출력되고, 제1 내지 제6 증폭기(91a∼91f)에 의하여 증폭된 구동신호가 제1 내지 제6 압전소자 구동기(31, 41, 51, 61, 71, 81)에 입력되면, 제1 내지 제6 압전소자 구동기(31, 41, 51, 61, 71, 81)에는 각각 변위가 발생한다. 제1 내지 제6 압전소자 구동기(31, 41, 51, 61, 71, 81)에 발생되는 각각의 변위는 상술한 원형힌지(33a, 43a, 53a, 63a, 73a, 83a)를 통하여 모션스테이지 (20)에 전달됨으로써 모션스테이지(20)는 운동하게 된다. 모션스테이지 (20)의 운동 위치는 제1 내지 제6 센서(92a∼92f)에 의하여 감지되고, 컨트롤러 (90)는 제1 내지 제6 센서(92a∼92f) 각각으로부터 입력되는 피드백신호에 따라 모션스테이지(20)의 운동 위치를 보정한다.
도 5에 보이는 바와 같이, 베이스(10)의 상면에는 제1 내지 제6 이송기구 (30, 40, 50, 60, 70, 80)를 설치하기 위한 제1 내지 제6 설치홈(11a∼11f)이 형성되어 있으며, 제1 내지 제3 설치홈(11a∼11c) 각각에는 슬롯(12)이 형성되어 있다.
도 3과 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제1 이송기구(30)의 제1 압전소자 구동기(31)의 양단에는 제1 및 제2 힌지요소(32, 33)의 일단에 형성되어 있는 나사 (32b, 33b)가 각각 체결된다. 제1 힌지요소(32)의 타단에 형성되어 있는 원통형 고정부(32c)는 제1 고정블록(34)의 구멍(34a)에 고정적으로 끼워진다. 제1 고정블록 (34a)은 베이스(10)의 제1 설치홈(11a)에 맞춤되고 슬롯(12)을 관통하는 고정수단, 예를 들어 나사의 체결에 의하여 고정적으로 부착된다. 제2 힌지요소(33)의 타단에 형성되어 있는 원통형 고정부(33c)는 제2 고정블록(35)의 구멍(35a)에 끼워지고, 제2 고정블록(35)은 나사의 체결에 의하여 모션스테이지(20)의 저면에 고정적으로 부착된다. 제2 고정블록(35)의 구멍(35a)에 끼워진 제2 힌지요소(33)의 고정부 (33c)를 지지할 수 있도록 서포트플레이트(36)의 중앙에 구멍(36a)이 형성되어 있으며, 서포트플레이트(36)는 나사(36b)의 체결에 의하여 제2 고정블록(35)에 고정적으로 부착되어 제2 힌지요소(33)의 이탈을 방지한다.
본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템에 있어서 제2 이송기구(40)와 제3 이송기구(50)는 제1 이송기구(30)와 동일하게 구성되어 있다. 따라서, 제2 이송기구 (40)의 제2 압전소자 구동기(41)와 제1 힌지요소(42)와 제2 힌지요소(43) 및 제3 이송기구(50)의 제3 압전소자 구동기(51)와 제1 힌지요소(52)와 제2 힌지요소(53)의 구성과 작용은 제1 이송기구(30)의 제1 압전소자 구동기(31)와 제1 힌지요소 (32)와 제2 힌지요소(33)의 구성과 작용이 동일하므로 이하에서는 제2 이송기구 (40)과 제3 이송기구(50)에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 3과 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 제4 이송기구(60)의 제4 압전소자 구동기(61)의 양단에는 제1 및 제2 힌지부재(62, 63)의 일단에 형성되어 있는 나사 (62b, 63b)가 각각 체결된다. 제1 힌지부재(62)의 타단에 형성되어 있는 원통형 고정부(62c)는 고정블록(64)의 구멍(64a)에 끼워진다. 고정블록(64)의 구멍(64a)에 끼워진 제1 힌지부재(62)의 고정부(62a)를 지지할 수 있도록 서포트플레이트(65)의 중앙에 구멍(65a)이 형성되어 있으며, 서포트플레이트(65)는 나사(65b)의 체결에 의하여 고정블록(64)에 고정적으로 부착되어 제1 힌지부재(62)의 이탈을 방지한다. 그리고, 고정블록(64)의 양측에는 슬롯(64b)이 형성되어 있고, 고정블록(64)의 슬롯(64b)의 상부에는 패드(66)가 배치되어 있다. 고정블록(64)은 베이스(10)의 설치홈(11d)의 일측에 맞춤되며, 패드(66)의 나사구멍(66a)에는 베이스(10)와 고정블록 (64)의 슬롯(64b)을 관통하여 나사(66b)가 체결된다. 따라서, 고정블록(64)은 베이스(10)에 고정적으로 부착된다.
또한, 제2 힌지부재(63)의 힌지(63a)와 나사(63b) 사이에 원통형 연장부 (63c)가 형성되어 있으며 타단에는 조인트플레이트(63d)가 형성되어 있다. 제2 힌지부재(63)의 연장부(63c)에는 제4 압전소자 구동기(61)에 대하여 수직방향으로 배치되는 제3 힌지부재(67)의 몸체부(67a)의 구멍(67b)이 끼워진다. 제3 힌지부재 (67)의 몸체부(67a)의 상하에는 원형의 제1 힌지(67c)와 제2 힌지(67d)가 각각 형성되어 있고, 제3 힌지부재(67)의 제1 힌지(67c)와 제2 힌지(67d)에는 제1 조인트플레이트(67e)와 제2 조인트플레이트(67f)가 각각 연결되어 있다. 제3 힌지부재 (67)의 제1 조인트플레이트(67e)는 나사의 체결에 의하여 모션스테이지(20)의 저면에 고정적으로 부착된다.
제4 이송기구(60)는 제2 힌지부재(63) 및 제3 힌지부재(67)와 연동하는 제1레버부재(68)를 구비한다. 제1 레버부재(68)는 제1 레버(68a)와 제2 레버(68b), 그리고 제1 레버(68a)와 제2 레버(68b)를 일체형으로 연결하는 노치형 힌지(68c)로 구성되어 있다. 제1 레버(68a)는 수평부(69a)와 수직부(69b)가 형성되어 있고, 제2 레버(68b)는 제1 레버(68a)의 수직부(69b)에 대하여 직각을 이루도록 배치되어 있다. 제1 레버(68a)의 수평부(69a)에는 제3 힌지부재(67)의 제2 조인트플레이트 (67f)가 나사의 체결에 의하여 고정적으로 부착되며, 제1 레버(68a)의 수직부(69b)에는 제2 힌지부재(63)의 조인트플레이트(64d)가 나사의 체결에 의하여 고정적으로 부착된다. 제1 레버부재(68)의 제2 레버(68b)는 나사의 체결에 의하여 베이스(10)의 설치홈(11d)에 고정적으로 부착된다.
본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템에 있어서 제5 이송기구(70)와 제6 이송기구(80)는 제4 이송기구(60)와 동일하게 구성되어 있다. 따라서, 제5 이송기구 (70)의 제5 압전소자 구동기(71)와 제4 힌지부재(72)와 제5 힌지부재(73)와 제6 힌지부재(77)와 제2 레버부재(78) 및 제6 이송기구(80)의 제6 압전소자 구동기(81)와 제7 힌지부재(82)와 제8 힌지부재(83)와 제9 힌지부재(87)와 제3 레버부재(88)의 구성과 작용은 제4 이송기구(60)의 제4 압전소자 구동기(61)와 제1 힌지부재(62)와제2 힌지부재(63)와 제3 힌지부재(67)와 제1 레버부재(68)의 구성과 작용이 동일하므로 제5 이송기구(70)과 제6 이송기구(80)에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템은 압전소자 구동기에 의하여 원형힌지가 탄성적으로 변형함으로써 힌지구조(Hinge Flexure)가 모션스테이지의 운동방향을 제한하거나 특정방향으로의 가이드 역할을 하여 모션스테이지를 운동시킨다. 힌지의 강성(Stiffness)값을 알면, 압전소자 구동기에 의하여 힌지에 힘이 가해졌을 때 모션스테이지의 이송량을 알 수 있다. 힌지의 축방향을축이라고 가정했을 때 힘과 변위 사이의 관계식은축 및 전단방향인,축에 대하여 수학식 1, 2 및 3과 같이 단순화할 수 있다. 이 관계식은 잘 알려진 것으로 파로스-와이스보드(Paros-Weisbord)에 의하여 구하여진 식이며, 많은 실험을 통하여 검증되어 있다.
여기서,과는 도 8에 나타낸 바와 같이, 원형힌지의 반경과 두께를 각각 나타낸다. 또한,는 탄성계수,는 전단계수,은 토션모멘트,는 회전각도 를 나타낸다.
수학식 1, 2 및 3은 유한요소해석(Finite Element Method) 결과와 비교하여 10% 오차 범위내의 값을 가지므로, 원형힌지가 가지는 가공상의 오차 및 탄성재질의 이력현상(Hysteresis)을 고려하더라도 충분히 받아들일 수 있다.
한편, 본 발명의 힌지구조를 설계함에 있어 기본적으로 고려되어야 할 것은 힌지에 걸리는 응력과 변형이다. 힌지를 설계할 경우, 힌지의 각변위(Angular Displacement)와 힌지의 최대응력()과의 관계는,
에 의하여 선형 변위를 알 수가 있다. 여기서,는 각변위,는 비례상수,는 수학식 5에서 정의된 상수,는 이송변위,은 힌지 유효 길이를 나타낸다. 따라서, 원하는 변위량을 얻기 위하여 적당한 재질을 선택함으로써 최대응력()과 탄성계수()를 알 수 있고, 수학식 4와 수학식 5의 반복적인계산을 통하여 힌지의 반경()과 두께()를 알맞게 결정할 수가 있다. 이와 같이 결정된 반경()과 두께()를 수학식 1, 2, 3에 대입함으로써 힌지의 강성을 결정한다.
본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템에서는 모션스테이지 자체의 강성을 높이면서 전체의 높이를 낮게 하기 위하여 수직방향과 관련해서 상술한 레버부재들 (68, 78, 88)을 이용했다. 모션스테이지(20)의 수직운동방향을 Z축이라고 했을 때 초정밀 위치결정시스템의 구동시스템은 전체 형상의 높이를 최소화하고 시스템의 강성을 최대화하기 위하여 Z축방향에 대하여 낮은 높이 구조를 가져야 한다. 일반적으로 압전소자 구동기들(61, 71, 81)의 최대팽창은 그 길이의 0.1% 정도에 불과하므로 필요로 하는 이송범위를 얻기 위해서는 압전소자 구동기의 길이가 길어야 한다. 예를 들어 125㎛ 이상의 이송을 위해서는 길이가 200㎜ 이상되는 압전소자 구동기가 필요하게 된다. 따라서, 본 발명에 의하여 이러한 압전소자 구동기의 길이를 고려하여 압전소자 구동기들(61, 71, 81)을 수평으로 배치시키고, 압전소자 구동기의 수평 움직임을 레버부재들(68, 78, 88)에 의하여 수직 움직임으로 전달함으로써 본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템의 높이를 낮게 할 수 있다.
제1 레버부재(68)를 예를 들어 설명하면, 레버부재(68)의 설계에 있어서 압전소자 구동기(61)에 의하여 전달되는 힘의 작용점인 힌지(68c)의 위치를 조정하여 실제 움직이는 모션스테이지(20)의 수직변위가 압전소자 구동기(61)의 수평변위의 두배와 같도록 하였다. 즉, 도 10a에 보이는 바와 같이, 제2 힌지부재(63)의힌지(63a)의 중심의 X축방향의 연장선과 레버부재(68)의 힌지(68c) 중심과의 수직거리를, 제3 힌지부재(67)의 제1 및 제2 힌지(67c, 67d)의 중심의 Y축방향의 연장선과 레버부재(68)의 힌지(68c) 중심과의 수평거리를라고 하면, 제4 압전소자 구동기(61)에 의하여 일어나는 제2 힌지부재(63)의 힌지(63a)의 미소변위에 대한 레버부재(68)의 힌지(68c)의 중심회전각도는 일정하므로,
와 같은 관계가 성립하게 된다. 수학식 6에서,는 레버부재(68)의 힌지(68c) 중심을 축으로 한 회전값,는 수직변위,는 수평변위를 나타낸다. 제4 압전소자 구동기(61)에 의하여 제2 힌지부재(63)의 조인트플레이트(63d)에 수평변위가 발생되면, 레버부재(68)의 힌지(68c) 중심에서 수학식 6에 따라 변위의 증폭이 일어나고, 이것은 레버부재(68)의 제1 레버(68a)와 제3 힌지부재(67)의 제2 조인트플레이트(67f)에 의하여 수직방향의 변위로 전달된다.
본 발명의 압전소자 구동기와 힌지요소들 또는 힌지부재들로 이루어진 스테이지 구동부의 축방향 강성()은 다음의 수학식 7에 의하여 구할 수 있으며, 반경 방향 강성()은 수학식 8에 의하여 구할 수 있다.
여기서,는 압전소자의 강성을 나타내며, 수학식 7과 8에서은 압전소자 구동기를 포함하는 제1 힌지요소와 제2 힌지요소의 힌지의 중심 사이의 거리이다. 수학식 7과 8에 힌지의 반경()과 두께()를 대입함으로써 스테이지 구동부 전체의 강성을 알 수 있다.
지금부터는 본 발명의 초정밀 위치결정장치에 대한 작용을 설명한다. 이하의 수학식들에서, X축병진운동은, Y축병진운동은, Z축병진운동은로 나타내며, X축회전운동은, Y축회전운동은, Z축회전운동은로 나타낸다. 그리고, 제1 압전소자 구동기의 구동신호는, 제2 및 제3 압전소자 구동기 각각의 구동신호는및, 제4 내지 제6 압전소자 구동기 각각의 구동신호는,및로 나타낸다.
먼저, 도 3과 도 5를 참조하여 제1 이송기구(30)의 작용을 살펴본다. 컨트롤러(90)의 제어에 의하여 제1 이송기구(30)의 제1 압전소자 구동기(31)에 구동신호 ()가 입력되면, 수학식 9에서 알 수 있는 바와 같이 모션스테이지(20)의 X축병진운동이 일어난다.
이때, 제1 압전소자구동기(31)와 제1 및 제2 힌지요소(32, 33)의 힌지(32a, 33a)로 구성되는 제1 이송기구(30)의 스테이지 구동부는 축방향 강성이 회전방향의 강성에 비하여 상당히 크다. 따라서, 제1 이송기구(30) 단독으로도 모션스테이지 (20)의 X축병진운동을 충분히 수행할 수 있다.
다음으로, 제2 이송기구(40)와 제3 이송기구(50)의 작용에 의한 모션스테이지 (20)의 Y축병진운동과 Z축회전운동에 대하여 살펴본다. 컨트롤러(90)의 제어에 의하여 제2 이송기구(40)의 제2 압전소자 구동기(41)와 제3 이송기구(50)의 제3 압전소자 구동기(51)에 동일한 양의 구동신호가 입력되면, 수학식 10에서 알 수 있는 바와 같이 제2 압전소자 구동기(41)와 제3 압전소자 구동기(51)의 구동에 의하여 모션스테이지(20)의 Y축병진운동이 일어난다.
한편, 모션스테이지(20)의 Z축회전운동()은 컨트롤러(90)의 제어에 의하여 제2 이송기구(40)의 제2 압전소자 구동기(41)와 제3 이송기구(50)의 제3 압전소자 구동기(51)에 다른 양의 구동신호가 입력될 경우 일어난다. 제2 이송기구(40)와 제3 이송기구(50) 사이의 거리를(도 1 참조)이라고 했을 때, Z축회전운동()값은 수학식 11에 의하여 구할 수 있다.
본 발명의 초정밀 위치결정시스템에 있어서 제2 이송기구(40)와 제3 이송기구(50) 사이의 거리()는 Y축병진운동과 Z축회전운동() 사이에 간섭이 발생하지 않도록 배열되어야 한다. 두개의 방향운동에 대한 두개의 변수에 대하여 라그랑즈 방법(Lagrangian Method) 또는 뉴턴(Newton)의 운동방정식을 적용함으로써 제2 이송기구(40)와 제3 이송기구(50) 사이의 거리()가 결정된다.
는 운동에너지,는 위치에너지, 그리고는 외력이라 하고,
Lagrangian라고 했을 때,
또는, 뉴톤의 운동방정식이 적용되면
이와 같은 수학식 12 또는 수학식 13에 의해서 2자유도에 대한 운동방정식이 행렬형태로 결정된다. 2자유도 사이에 간섭을 최대한 줄이기 위하여 운동방정식 행렬의 대각성분을 제외한 나머지 성분이 모두 '0'이 되도록 한다. 이에 따라, 제2이송기구(40)와 제3 이송기구(50) 사이의 거리()를 결정할 수 있다.
수학식 14a 내지 14h에는 제2 이송기구(40)와 제3 이송기구(50) 사이의 거리()를 구하는 과정을 나타냈다. 도 9를 참조하면,는 수학식 7에서 구한 강성값이고, 질량()과 질량 관성모멘트()는 모션스테이지(20)가 가지는 물성값이다.
수학식 12 또는 수학식 13에 의한 운동방정식은,
으로 표현된다.
수학식 14a, 14b 및 14c를 조합한 후 정리하면,
이 된다.
여기에서, 수학식 14d와 수학식 14e는 수학식 14f의 행렬형태로 정리될 수 있다.
제2 이송기구(40)와 제3 이송기구(50) 사이의 간섭을 최소화하기 위하여 행렬의 대각성분을 제외한 나머지 성분은 모두 '0'이 되도록 한다. 즉, 수학식 14f에서 1행2열과 2행1열 성분이
이 되면, 제2 이송기구(40)와 제3 이송기구(50) 사이의 거리()는 수학식 14h와 같이 된다.
마지막으로, 도 3, 도 4와 도 10a 및 도 10b를 함께 참조하여 제4 내지 제6 이송기구(60, 70, 80)의 작용을 설명한다. 본 발명의 제4 내지 제6 이송기구(60, 70, 80)는 3자유도, 즉 Z축병진운동, X축회전운동(), Y축회전운동()을 구현하고 있다. 따라서, 제4 내지 제6 이송기구(60, 70, 80)는 각각의 운동들 사이에 제2 및 제3 이송기구(40, 50)와 마찬가지로 간섭이 발생하지 않도록 배열되어야 한다.
한편, 컨트롤러(90)의 제어에 의하여 제4 내지 제6 이송기구(60, 70, 80) 각각의 제4 내지 제6 압전소자 구동기(61, 71, 81)에 동일한 양의 구동신호가 입력되면, 수학식 15에 의하여 알 수 있는 바와 같이 모션스테이지(20)의 Z축병진운동이 실행된다.
모션스테이지(20)의 Y축회전운동()은 컨트롤러(90)의 제어에 의하여 제4 이송기구(60)의 제4 압전소자 구동기(61)에는 구동신호가 입력되지 않고 제5 이송기구(70)의 제5 압전소자 구동기(71)와 제6 이송기구(80)의 제6 압전소자 구동기(81)에 서로 다른 양의 구동신호가 입력될 경우 일어나게 된다. 즉, 제5 이송기구(70)와 제6 이송기구(80) 사이의 거리를(도1 참조)라고 했을 때 Y축회전운동()값은 수학식 16에 의하여 구할 수 있다.
모션스테이지(20)의 X축회전운동()은 컨트롤러(90)의 제어에 의하여 제5 이송기구(70)의 제5 압전소자 구동기(71)와 제6 이송기구(80)의 제6 압전소자 구동기(81)에 같은 양의 구동신호가 입력되고 제4 이송기구(60)의 제4 압전소자 구동기(61)에는 다른 값의 구동신호()가 입력될 경우 일어나게 된다. 즉, 제4 이송기구(60)와 제5 이송기구(70) 또는 제6 이송기구(80) 사이의 거리를라고 했을 때 X축회전운동()값은 수학식 17에 의하여 구할 수 있다.
따라서, 제4 내지 제6 이송기구(60, 70, 80) 각각의 위치를 결정하기 위하여 제4 내지 제6 이송기구(60, 70, 80) 각각에 해당하는 변위 변수를 정해준 후, 그에 따른 운동에너지와 위치에너지를 바탕으로 수학식 12의 라그랑즈 방법 또는 수학식 13의 뉴턴 방법에 의해서 운동방정식의 행렬형태로 결정된다. 제4 내지 제6 이송기구(60, 70, 80) 각각의 자유도 사이에 간섭이 일어나는 것을 최소화하기 위하여 수학식 14a 내지 14h와 유사한 방법으로 운동방정식 행렬의 대각성분을 제외한 나머지 성분들이 모두 '0'이 되도록 설정한다. 그 결과, 제4 이송기구(60)와 제5 이송기구(70) 또는 제6 이송기구(80) 사이의 거리()를 결정할 수 있으며, 또한 제5이송기구(70)과 제6 이송기구(80) 사이의 거리()를 결정할 수 있다.
이상에서 설명은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 초정밀 위치결정시스템에 의하면, 압전소자 구동기, 원형힌지를 갖는 힌지요소와 노치형 힌지를 갖는 레버기구에 의하여 마이크로미터 이하 수준의 다자유도 미세 운동을 정확하게 수행할 수 있다. 또한, 탄성을 갖는 힌지구조에 의하여 간섭에 의한 마모가 없고 매우 높은 반복 정밀도를 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 연속적이고 원활한 미세 운동을 수행할 수 있다. 또한, 모션스테이지 자체의 강성이 높고 높이가 낮으며 온도 변화 또는 온도구배에 대하여 영향이 적은 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 베이스와;
    상기 베이스에 대하여 운동할 수 있도록 상기 베이스의 상부에 배치되는 모션스테이지와;
    상기 베이스에 대하여 상기 모션스테이지를 X축병진운동시키며, 제1 구동기와 원형힌지를 갖는 제1 및 제2 힌지요소로 구성되는 제1 이송수단과;
    상기 베이스에 대하여 상기 모션스테이지를 Y축병진운동 및 Z축회전운동시키며, 제2 구동기와 원형힌지를 갖는 제1 및 제2 힌지요소로 구성되는 제2 이송수단과;
    상기 제2 이송수단과 협동하여 상기 베이스에 대하여 상기 모션스테이지를 Y축병진운동 및 Z축회전운동시키며, 제3 구동기와 원형힌지를 갖는 제1 및 제2 힌지요소로 구성되는 제3 이송수단과;
    상기 베이스에 대하여 상기 모션스테이지를 X축회전운동시키며, 제4 구동기와, 원형힌지를 갖는 제1 및 제2 힌지부재와, 상기 제2 힌지부재와 연동하는 제1 레버부재와, 상기 제1 레버부재와 연동하는 제3 힌지부재로 구성되는 제4 이송수단과;
    상기 제1 내지 제4 이송수단의 제1 내지 제4 구동기를 제어하는 제어수단을 포함하는 초정밀 위치결정시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제4 이송수단과 협동하여 상기 베이스에 대하여 상기 모션스테이지를 X축회전운동 및 Y축회전운동시키며, 상기 제어수단에 의하여 제어되는 제5 구동기와, 원형힌지를 갖는 제4 및 제5 힌지부재와, 상기 제5 힌지부재와 연동하는 제2 레버부재와, 상기 제2 레버부재와 연동하는 제6 힌지부재로 구성되는 제5 이송수단을 더 포함하는 초정밀 위치결정시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제4 및 제5 이송수단과 협동하여 상기 베이스에 대하여 상기 모션스테이지를 Z축병진운동, X축회전운동 및 Y축회전운동시키며, 상기 제어수단에 의하여 제어되는 제6 구동기와, 원형힌지를 갖는 제7 및 제8 힌지부재와, 상기 제8 힌지부재와 연동하는 제3 레버부재와, 상기 제3 레버부재와 연동하는 제9 힌지부재로 구성되는 제6 이송수단을 더 포함하는 초정밀 위치결정시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제4 이송수단의 제2 힌지부재, 상기 제5 이송수단의 제5 힌지부재 및 상기 제6 이송수단의 제8 힌지부재는 각각 상기 제3 힌지부재, 제6 힌지부재 및 제9 힌지부재에 관통하여 끼워지고, 상기 제1 레버부재, 제2 레버부재 및 제3 레버부재에는 노치형 힌치가 각각 형성되며 상기 제2 힌지부재와 제3 힌지부재, 제5 힌지부재와 제6 힌지부재 및 제8 힌지부재와 제9 힌지부재가 각각 고정적으로 설치되는 초정밀 위치결정시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제4 내지 제6 이송수단의 제1, 제4 및 제7 힌지부재는 상기 베이스에 각각 고정되며, 상기 제4 이송수단은 상기 베이스의 X축중심선의 상측에 X축중심선과 나란하도록 정렬되고, 상기 제4 이송수단의 제2 힌지부재의 힌지중심은 상기 베이스의 Y축중심선에 정렬되며, 상기 제5 및 제6 이송수단은 상기 베이스의 X축중심선의 하측에 X축중심선과 나란하고 Y축중심선에 대하여 서로 대칭되도록 정렬되는 초정밀 위치결정시스템.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 제4 내지 제6 이송수단 각각은 상기 제2, 제5, 제8 힌지부재의 힌지중심의 X축방향의 연장선과 상기 제1 내지 제3 레버부재의 힌지 중심과의 수직거리를라 하고, 상기 제3, 제6, 제9 힌지부재의 힌지중심의 Y축방향의 연장선과 상기 제1 내지 제3 레버부재의 힌지 중심과의 수평거리를라고 할 때,의 관계를 만족하는 초정밀 위치결정시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 이송수단의 제1 및 제2 힌지요소는 상기 베이스와 상기 모션스테이지에 각각 고정되도록 상기 베이스의 X축중심선에 정렬되고, 상기 모션스테이지에 고정되는 쪽에 위치되는 상기 제1 이송수단의 제2 힌지요소의 힌지중심은 상기 모션스테이지의 중심과 일치하는 초정밀 위치결정시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 및 제3 이송수단의 제1 및 제2 힌지요소는 상기 베이스와 상기 모션스테이지에 각각 고정되도록 상기 베이스의 Y축중심선과 나란하게 정렬되고, 상기 모션스테이지에 고정되는 쪽에 위치되는 상기 제2 및 제3 이송수단의 제2 힌지요소의 힌지중심은 상기 베이스의 X축중심선에 정렬되는 초정밀 위치결정시스템.
  9. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 제2 이송수단과 상기 제3 이송수단 사이의 거리()는의 관계를 만족하며, 여기에서은 상기 모션스테이지의 질량,는 상기 모션스테이지의 질량 관성모멘트인 초정밀 위치결정시스템.
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