KR20130022253A - 초정밀 이송 시스템 - Google Patents

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KR20130022253A
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문준희
신현표
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삼성전기주식회사
문준희
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Abstract

본 발명은 초정밀 이송 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템은 베이스와 상기 베이스에 대해 6 자유도로 이동할 수 있는 스테이지; 베이스와 상기 스테이지 사이를 연결하며, 등 간격으로 배치되어 상기 스테이지의 3 자유도(x축 병진 운동, y축 병진 운동 및 z축 회전 운동)의 면내 운동을 구현하는 3개의 수평 구동부; 및 베이스와 상기 스테이지 사이를 연결하며, 상기 3개의 수평 구동부와 평행하게 배치되어 상기 스테이지의 3 자유도(x축 회전 운동, y축 회전 운동 및 z축 병진 운동)의 면외 운동을 구현하는 3개의 수직 구동부;를 포함할 수 있다.

Description

초정밀 이송 시스템{Ultra-Precision Moving Apparatus}
본 발명은 초정밀 위치 결정 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 액추에이터의 힘의 균형을 유지할 수 있어 회전 운동이 용이하며, 내하중성이 있는 초정밀 이송 시스템을 제공하는 것이다.
산업현장의 각 분야에서 초정밀 위치결정기술의 중요성은 날로 증대되고 있다. 특히, 반도체 기술의 발전은 회로의 고집적화를 불러온 결과, 최신 마이크로프로세서의 경우 사용되는 선의 폭이 0.18㎛ 수준으로 머리카락 굵기의 1/500 수준이며, 이 경우 웨이퍼를 제작하는 스테이지에 요구되는 정밀도는 선 폭의 1/10 수준의 20nm의 재현성이 요구된다.
또한, 서브미크론 수준의 초정밀 이송장치의 구현은 원자간력현미경(AFM; Atomic Force Microscope), 주사형전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 등의 초정밀 측정분야와 정보산업 등의 산업분야에서도 활용될 수 있는 등 그 응용 범위가 광범위하다.
조인트와 링크로 구성된 이송 장치로는 서브마이크로급의 정밀도를 구현할 수 없기 때문에 탄성 힌지와 압전 액추에이터(Piezo actuator)를 사용한 이송장치의 개발이 진행되었다.
그러나, 일반적인 압전 액추에이터는 정밀한 제어가 가능하지만 자체 길이 대비 구동 거리가 0.1% 내외에 불과하여 이송장치의 크기가 커지는 단점이 있었다. 특히, 수직 방향의 병진 및 회전 운동을 구현하기 위해서는 액추에이터를 수직으로 배치해야 하며, 이 경우 이송장치의 크기가 커져 강성이 낮아지게 되고 제어가 어려워지는 문제점이 발생하였다.
본 발명의 일 실시 양태는 고강성 특성을 가지면서도 소형화가 가능한 초정밀 이송 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 실시 양태는 초정밀 이송 시스템 내부의 힘의 균형을 조절하기 용이하고 주회전 방향을 용이하게 변경할 수 있는 초정밀 이송 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시 양태는 다양한 설비에 장착이 용이하고 공간 활용도를 높일 수 있는 초정밀 이송 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템은 베이스와 상기 베이스에 대해 6 자유도로 이동할 수 있는 스테이지; 베이스와 상기 스테이지 사이를 연결하며, 등 간격으로 배치되어 상기 스테이지의 3 자유도(x축 병진 운동, y축 병진 운동 및 z축 회전 운동)의 면내 운동을 구현하는 3개의 수평 구동부; 및 베이스와 상기 스테이지 사이를 연결하며, 상기 3개의 수평 구동부와 평행하게 배치되어 상기 스테이지의 3 자유도(x축 회전 운동, y축 회전 운동 및 z축 병진 운동)의 면외 운동을 구현하는 3개의 수직 구동부;를 포함할 수 있다.
상기 3개의 수평 구동부와 3개의 수직 구동부는 이중 삼각형 구조를 가질 수 있다.
상기 3개의 수평 구동부 내부에 3개의 수직 액추에이터를 등 간격으로 배치할 수 있다.
상기 3개의 수평 구동부 외부에 3개의 수직 구동부를 등 간격으로 배치할 수 있다.
상기 3개의 수평 구동부 또는 3개의 수직 구동부의 중심부에 중공부를 형성할 수 있다.
상기 3개의 수직 구동부는 PZT 액추에이터일 수 있다.
상기 수직 구동부는, 베이스에 대하여 평행하게 배치되어 수평방향으로 운동하는 액추에이터;를 포함할 수 있다.
상기 베이스와 상기 액추에이터의 일 단에 각각 고정되는 제1 힌지를 포함하는 제1 힌지 부재; 액추에이터의 타 단에 길이 방향으로 중첩되게 배치된 레버 부재, 상기 베이스와 상기 레버 부재를 연결하는 제2 힌지 및 상기 액추에이터의 타 단과 상기 레버 부재를 연결하는 제3 힌지를 포함하는 제2 힌지 부재; 및 액추에이터가 관통 연결되는 관통부를 포함하는 몸체부, 상기 몸체부와 스테이지에 연결하는 제4 힌지 및 상기 몸체부와 상기 레버 부재에 연결하는 제5 힌지를 포함하는 제3 힌지 부재;를 포함할 수 있다.
상기 제1 힌지 부재는, 액추에이터와 길이 방향으로 양 측면에 중첩되게 배치되며, 상기 베이스에 고정되는 제1 베이스 고정부; 및 액추에이터의 일 단에 연결되는 제1 액추에이터 연결부;를 포함하고, 베이스 고정부와 상기 제1 액추에이터 연결부는 상기 양 측면에 배치된 2개의 제1 힌지에 의하여 연결될 수 있다.
상기 제2 힌지 부재는, 액추에이터와 상기 베이스 사이에 배치되며, 상기 베이스에 고정되는 제2 베이스 고정부; 액추에이터의 타 단에 연결되는 제2 액추에이터 연결부; 및 액추에이터와 길이방향으로 양 측면에 중첩되게 배치된 L자형 레버 부재;를 포함하고, 제2 베이스 고정부와 상기 레버 부재는 제2 힌지를 통하여 연결되고, 제2 액추에이터 연결부와 상기 레버 부재는 상기 액추에이터의 상기 양 측면에 배치된 2개의 제3 힌지를 통하여 연결될 수 있다.
상기 제3 힌지 부재는, 몸체부와 스테이지를 연결하는 스테이지 연결부 및 몸체부와 상기 레버 부재를 연결하는 레버 연결부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 힌지, 상기 제2 힌지, 상기 제3 힌지, 상기 제4 힌지 및 상기 제5 힌지로 구성된 군 중에서 선택된 하나 이상은 탄성 힌지(flexure hinge)일 수 있다.
상기 제2 힌지와 상기 제3 힌지 사이의 거리를 ℓ이라 정의하고, 제2 힌지와 제5 힌지 사이의 거리는 L이라 정의하면, ℓ과 L의 길이비를 조절하여 상기 스테이지의 수직 변위를 제어할 수 있다.
상기 제2 힌지는 상기 레버 부재에 가해지는 수평 방향 힘과 수직 방향 힘의 합력과 동일한 방향으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 6-자유도를 이중 삼각형 구조인 병렬 기구 방식으로 구현하여 강성이 높고 시스템 전체의 크기가 작아져 제품의 소형화 및 내하중성을 확보하는 데에 유리해질 수 있다.
또한, 수직 또는 수평 구동부가 이중 삼각형 구조를 가지므로 시스템의 중심과 액추에이터 간의 거리가 균일하게 될 수 있다. 그에 따라 회전 운동을 보다 용이하게 구현할 수 있다. 또한 액추에이터의 구동 방향을 바꾸는 방식으로 용이하게 주회전 방향을 바꿀 수 있다.
그리고, 수직 구동부를 삼각형 구조로 배치하기 때문에 수직 하중을 각각의 액추에이터에 골고루 분배할 수 있다. 그에 따라, 특정 힌지에 과도한 힘이 걸리지 않게 할 수 있다. 즉, 내하중성이 우수한 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 초정밀 이송 시스템의 중심부에 중공부가 형성되어 다양한 설비에 쉽게 장착될 수 있어 공간 활용도가 높은 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템에서 커버를 분해하여 나타낸 분해 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 커버를 생략하여 나타낸 부분 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부 및 수평 구동부의 운동을 나타내는 운동 역학도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부를 나타내는 측면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템(1)의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 스테이지(10a)를 생략하여 내부를 도시한 부분 평면도이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템(1)에 대하여 구체적으로 알아보자.
본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템(1)은 베이스(10b)와 스테이지(10a)로 케이스(10)가 형성되고, 상기 케이스(10) 내부에는 3개의 수평 구동부(31, 33, 35) 및 3개의 수직 구동부(21, 23, 25)를 실장하여 하나의 초정밀 이송 시스템(1)이 형성된다.
상기 수평 구동부(31, 33, 35)는 베이스(10b)와 스테이지(10a) 사이를 연결하도록 등 간격으로 배치되어 초정밀 이송 시스템(1)의 수평방향 운동을 제어할 수 있다. 그리고, 상기 수직 구동부(21, 23, 25)는 베이스(10b)와 스테이지(10a) 사이를 연결하도록 등 간격으로 배치되며, 특히 상기 수평 구동부와 평행하게 배치되어 이중 삼각형 구조를 갖도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 수평 구동부(31, 33, 35)와 수직 구동부(21, 23, 25)가 삼각형 구조로 배치되기 때문에 힘의 작용점과 시스템의 중심이 동일한 거리를 유지하도록 형성될 수 있다. 그에 따라 초정밀 이송 시스템(1)에서의 회전 운동을 구현하기가 쉬워 진다.
그리고 수직 구동부(21, 23, 25)를 삼각형 모양으로 배치하기 때문에 수직 방향 하중이 각각의 수직 구동부에 골고루 분배되게 할 수 있다. 그에 따라 특정 힌지에 과도한 부하가 걸리지 않게 할 수 있다. 결국, 내하중성이 우수한 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 수직 구동부(21, 23, 25)에 있어서, 액추에이터를 수직 방향으로 배치하여 수직 운동을 구현하지 않고 액추에이터를 수평 방향으로 배치하여 수직 운동으로 전환하기 때문에 시스템의 전체 높이를 낮추어 시스템의 강성이 높아지고 내하중성이 우수해질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 수직 구동부(21, 23, 25) 및 수평 구동부(31, 33, 35)는 압전(piezoelectric) 특성을 이용한 PZT 액추에이터일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
PZT 액추에이터는 인가되는 전압에 따라 압전 물질의 수축 및 팽창을 이용하여 액추에이터의 수평 운동을 유도해내는 소자이다. 초정밀 이송 시스템에 PZT 액추에이터가 사용되면 전압의 크기 등을 조절하여 0.1㎛ 이하의 정밀한 운동을 유도해 낼 수 있다.
상기 3개의 수평 구동부(31, 33, 35)는 면내 운동(In-plane motion)을 구현할 수 있다. 상기 3개의 수평 구동부(31, 33, 35)의 상호 작용에 의하여 3-자유도의 x축 병진 운동, y축 병진 운동 및 z축 회전(θz 방향) 운동을 유도해 낼 수 있다.
상기 3개의 수직 구동부(21, 23, 25)는 면외 운동(out of Plane motion)을 구현할 수 있다. 상기 3개의 수직 구동부(21, 23, 25)의 상호 작용에 의하여 3-자유도의 z축 병진운동, x축 회전(θx 방향) 운동 및 y축 회전(θy 방향) 운동을 유도해 낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 3개의 수평 구동부(31, 33, 35)와 3개의 수직 구동부(21, 23, 25)를 사용하여 6-자유도를 갖는 초정밀 이송 시스템(1)을 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 운동 역학적 구조를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하여 본 발명의 초정밀 이송 시스템(1)에서 6-자유도 운동을 구현하는 방법에 대하여 보다 구체적으로 알아보자.
면내 운동(In-plane motion)인 x축 병진 운동, y축 병진 운동, z축 회전 운동은 3개의 수평 구동부(31, 33, 35)에 의하여 구현될 수 있다.
상기 3개의 수평 구동부(31, 33, 35)를 각각 제1 수평 구동부(31), 제2 수평 구동부(33) 및 제3 수평 구동부(35)라 하고, 각각의 운동을 벡터 A1, A2, A3로 나타내었다. 그리고 3개의 수직 구동부(21, 23, 25)를 각각 제1 수직 구동부(21), 제2 수직 구동부(23) 및 제3 수직 구동부(25)라 하고, 각각의 운동을 벡터 A4, A5, A6로 나타내었다.
각각의 벡터는 양방향으로 표현하고, 수평 또는 수직 구동부 간에는 서로 동일한 크기를 갖도록 표현하였다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니며 각각의 액추에이터의 전압의 방향 및 크기를 조절하여 양방향 중 어느 한 방향을 향하고 소정의 크기를 갖게 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 x축 병진 운동은 제1, 제2 및 제3 수평 구동부(31, 33, 35)의 운동에 의하여 벡터 A1, A2 및 A3의 합에 의하여 구현될 수 있다. x축 방향의 운동은 제1, 제2 및 제3 수평 구동부(31, 33, 35)에 인가되는 전압의 크기 및 방향을 조절하여 x축 상에서의 운동 방향 및 크기를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 y축 병진 운동은 제2 및 제3 수평 구동부(33, 35)의 운동에 의하여 벡터 A2 및 A3의 합으로 구현될 수 있다. y축 방향의 운동은 제2 및 제3 수평 구동부(33, 35)에 인가되는 전압의 크기 및 방향으로 조절하여 y축 상에서의 운동 방향 및 크기를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 z축 회전 운동은 제1, 제2 및 제3 수평 구동부(31, 33, 35)의 운동에 의하여 벡터 A1, A2 및 A3의 합으로 구현될 수 있다. A1, A2 및 A3 벡터가 오른쪽 또는 왼쪽 중 어느 한 방향을 향하도록 형성된 경우 θz 방향/-θz 방향으로의 회전 운동이 구현될 수 있다. θz 방향/-θz 방향의 운동은 제1, 제2 및 제3 수평 구동부(31, 33, 35)에 인가되는 전압의 크기 및 방향을 조절하여 회전 방향(θz 방향/-θz 방향)과 크기를 결정할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 3개의 수평 구동부(31, 33, 35)를 이용하여 초정밀 이송 시스템의 x축 병진 운동, y축 병진 운동 및 z축 회전 운동을 구현해낼 수 있다.
면외 운동(Out of plane)인 z축 병진 운동, x축 회전 운동, y축 회전 운동은 3개의 수직 구동부(21, 23, 25)에 의하여 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 z축 병진 운동은 제1, 제2 및 제3 수직 구동부(21, 23, 25)의 운동에 의하여 벡터 A4, A5 및 A6의 합으로 구현될 수 있다. z 방향의 운동은 제1, 제2 및 제3 수직 구동부(21, 23, 25)에 인가되는 전압의 크기 및 방향을 조절하여 z축 상에서의 운동 방향 및 크기를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 x축 회전 운동은 제1, 제2 및 제3 수직 구동부(21, 23, 25)의 운동에 의하여 벡터 A4, A5 및 A6의 합으로 구현될 수 있다. A4의 방향과 A5와 A6의 방향이 서로 반대 방향으로 향하도록 형성된 경우 θx 방향/-θx 방향으로의 회전 운동이 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 y축 회전 운동은 제2 및 제3 수직 구동부(23, 25)의 운동에 의하여 벡터 A5 및 A6의 합으로 구현될 수 있다. 벡터 A5의 방향과 벡터 A6의 방향이 서로 반대가 되게 하는 경우 θy 방향/-θy 방향으로의 회전 운동이 구현될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 3개의 수직 구동부(21, 23, 25)를 이용하여 z축 병진 운동, x축 회전 운동, y축 회전 운동을 구현해낼 수 있다.
도 2와 도 3은 각각 본 발명의 일 실시예와 다른 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부와 수평 구동부의 배치를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 3개의 수직 구동부와 3개의 수평 구동부는 각각 삼각형 구조로 배치되어 이중 삼각형 구조를 갖는다. 여기서, 이중 삼각형 구조는 내부 삼각부과 외부 삼각부로 구분될 수 있다.
내부 삼각부와 외부 삼각부는 서로 영향을 미치지 않으면서 독립적으로 움직일 수 있다. 그에 따라 내부 삼각부 및 외부 삼각부의 운동 방향 및 크기를 조절하여 원하는 방향의 운동을 구현해낼 수 있다. 즉, 수직 구동부 또는 수평 구동부가 내부 삼각부에 배치되느냐 외부 삼각부에 배치되느냐에 따라 운동 방향의 강약을 조절할 수 있다.
내부 삼각부에 배치되는 액추에이터의 운동이 외부 삼각부에 배치되는 액추에이터의 운동보다 전체 초정밀 이송 시스템에 영향을 더 미칠 수 있다. 수평 구동부는 면내 운동(In plane motion)을 담당하고, 수직 구동부는 면외 운동(Out of plane motion)을 담당하므로 내부 삼각부에 어떠한 액추에이터를 배치하느냐에 따라 면내 운동 또는 면외 운동의 강약을 조절할 수 있다.
다시 말해, 내부 삼각부에 수평 구동부를 배치하고 외부 삼각부에 수직 구동부를 배치하는 경우 면외 운동보다 면내 운동이 보강된 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있고, 내부 삼각부에 수직 구동부를 배치하고 외부 삼각부에 수평 구동부를 배치하는 경우 면내 운동보다 면외 운동이 보강된 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템을 나타내며 3개의 수직 구동부(21, 23, 25)는 외부 삼각부를 구성하고, 3개의 수평 구동부(31, 33, 35)는 내부 삼각부를 구성할 수 있다.
도 2의 실시예에 따르면 내부 삼각부에 수평 구동부(31, 33, 35)가 배치되므로 면외 운동보다 면내 운동이 강조된 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 회전력을 많이 가할 수 있는 주방향을 선택할 수 있다. PZT 액추에이터는 미는 힘이 강한 반면 당기는 힘이 상대적으로 약한 특성이 있다. 따라서, 수평 구동부(31, 33, 35)의 장착 방향을 선택하여 회전력을 많이 가할 수 있는 주회전 방향을 선택할 수 있다.
외부 삼각부에 수직 구동부(21, 23, 25)가 배치되는 경우 초정밀 이송 시스템의 수직 하중에 대해 각 액추에이터 간의 힘의 분배를 균일하게 할 수 있다. 그에 따라 특정 액추에이터 및 힌지 부분에 과도한 응력이 걸리는 현상을 최소화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템을 나타내며 3개의 수평 구동부(32, 34, 36)가 외부 삼각부를 구성하고, 3개의 수직 구동부(22, 24, 26)가 내부 삼각부를 구성할 수 있다.
도 2 및 도 3의 실시예 모두 이중 삼각형 구조를 갖기 때문에, 각각의 3개의 수평 구동부(32, 34, 36)와 초정밀 이송 시스템의 중심점과의 거리(b1, b2, b3)가 모두 동일하고, 마찬가지로 수직 구동부(22, 24, 26)와 초정밀 이송 시스템의 중심점과의 거리(a1, a2, a3)가 모두 동일할 수 있다.
그에 따라 각 수평 또는 수직 구동부의 힘의 작용점과 시스템의 중심이 동일한 거리를 유지하도록 형성될 수 있다. 그에 따라, 힘의 작용점과 시스템의 중심이 동일한 거리를 유지하고 있으므로 회전 운동을 용이하게 구현할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 케이스(10)의 중앙부에 중공부(13)를 형성할 수 있다.
상기 중공부(13)에는 모터 또는 지지 구조물이 관통하도록 형성될 수 있다. 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 중공부(13)를 이용하여 다양한 설비에 장착 가능하게 될 수 있다. 그에 따라 초정밀 이송 시스템의 공간 활용도를 높일 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부(11)를 나타내는 사시도 및 측면도이다.
상기 수직 구동부(11)는 수평 방향으로 구동부가 배치되기 때문에 전체 초정밀 이송 시스템의 높이를 낮출 수 있다. 그에 따라 강성이 높아지고 내하중성이 우수한 초정밀 이송 시스템을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직 구동부(11)는 액추에이터(100), 제1 힌지 부재(200), 제2 힌지 부재(300) 및 제3 힌지 부재(400)의 상호작용에 의하여 수직 구동부(100)를 수직 방향으로 운동하게 할 수 있다.
상기 액추에이터(100)는 베이스(50)에 대하여 평행하게 배치되어 수평방향으로 운동하도록 배치될 수 있다. 상기 액추에이터(100)는 수평 방향 운동을 유도해 내는 다양한 소자가 적용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나 압전 소자 방식의 PZT 액추에이터가 적용될 수 있다.
상기 제1 힌지 부재(200)는 상기 베이스(50)에 고정되는 제1 베이스 고정부(250), 상기 액추에이터(100)의 일단(110)을 수용하는 제1 액추에이터 연결부(230) 및 상기 제1 베이스 고정부(250)와 상기 제1 액추에이터 연결부(230)를 연결하는 제1 힌지(210)를 포함할 수 있다.
상기 제1 베이스 고정부(250)는 상기 액추에이터(100)와 길이방향으로 중첩되게 배치되며 상기 베이스(50)와 접하는 면에 복수 개의 고정홀이 형성될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나 제1 베이스 고정부(250)의 고정홀에 나사를 결합하는 방식으로 제1 베이스 고정부(250)를 베이스(50)에 고정할 수 있다.
본 명세서에서 중첩되어 배치되는 것은 서로 운동에 영향을 미치지 않도록 닿지 않게 배치되는 것을 의미하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 액추에이터와 길이방향으로 중첩되게 배치되기 때문에 전체 시스템의 길이를 줄일 수 있고 설치 공간을 최소화할 수 있다.
상기 제1 액추에이터 연결부(230)는 상기 액추에이터(100)의 일 단(110)에 고정연결될 수 있다. 상기 제1 액추에이터 연결부(230)는 상기 액추에이터(100)의 수평 방향 움직임을 제1 힌지(210)에 전달하는 역할을 할 수 있다.
상기 제1 힌지(210)는 수평 방향으로 움직이지 않고 수직 방향으로만 움직이도록 형성되므로, 실질적으로 액추에이터의 일 단은 제1 힌지 부재에 의하여 고정된다. 그에 따라 액추에이터의 수평 방향 운동은 전부 제2 힌지 부재로 전달될 수 있다.
상기 제1 액추에이터 연결부(230)와 상기 제1 베이스 고정부(250)는 2 개의 제1 힌지(210)를 통하여 연결될 수 있다. 상기 액추에이터(10)의 길이방향 양 측면에 2개의 제1 힌지(210)를 배치하여 상기 제1 베이스 고정부(250)와 연결될 수 있다.
상기 제1 힌지(210)는 1 방향 힌지일 수 있으며, 일 예로 노치형 힌지일 수 있다. 1 방향 힌지의 경우 힌지를 중심으로 양측의 고정부를 1 차원적으로 움직일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 베이스 고정부(250)는 베이스에 고정되어 있으므로 2 개의 제1 힌지(210)를 중심으로 상기 제1 액추에이터 연결부(230)를 수직방향으로 1차원적으로 움직이게 할 수 있다.
상기 제2 힌지 부재(300)는 제2 힌지(310), 제3 힌지(320), 제2 베이스 고정부(330), 레버 부재(350) 및 제2 액추에이터 연결부(370)를 포함할 수 있다.
상기 제2 베이스 고정부(330)는 베이스(50)와 마주하는 면에 형성된 고정홀을 통하여 베이스에 나사를 통하여 나사 결합하는 방식으로 고정될 수 있다.
상기 제2 베이스 고정부(330)는 베이스(50)와 액추에이터 사이에 배치될 수 있으며, 레버 부재(350)에 제2 힌지(310)를 통하여 연결될 수 있다.
상기 제2 힌지(310)는 1방향 힌지일 수 있으며, 일 예로 노치형 힌지일 수 있다. 상기 제2 베이스 고정부(330)는 베이스(50)에 고정되어 있으므로 상기 제2 베이스 고정부(330)에 연결된 레버 부재(350)는 제2 힌지(310)를 중심으로 1차원적으로 움직이도록 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 제2 힌지(310)를 중심으로 상기 레버 부재(350)는 회전하도록 형성될 수 있으며 레버 부재(350)는 회전에 의하여 수평 방향 운동을 수직 방향 운동으로 변환시킬 수 있다.
상기 레버 부재(350)는 상기 액추에이터(100)의 타 단(130)에서 길이방향으로 중첩되도록 형성될 수 있다.
상기 레버 부재(350)는 상기 액추에이터(100)의 길이방향으로 중첩되도록 형성될 수 있으며 L자 형태로 형성되어 수평 방향 운동을 수직 방향 운동으로 전환하도록 형성될 수 있다.
상기 제2 액추에이터 연결부(370)는 상기 액추에이터(100)의 타 단(130)에 고정연결될 수 있다. 상기 제2 액추에이터 연결부(370)는 레버 부재(350)와 2개의 제2 힌지(320)를 통하여 연결될 수 있다.
상기 제3 힌지(320)는 1차원적으로 움직이는 1방향 힌지일 수 있으며, 일 예로 노치형 힌지일 수 있다. 그에 따라, 제3 힌지(320)는 수직방향으로만 움직이게 형성되고 상기 액추에이터(100)의 수평방향 운동은 전부 제2 힌지에 전달되어 수직 방향 운동으로 전환될 수 있다.
다시 말해, 상기 액추에이터(100)의 수평 방향 운동은 2개의 제3 힌지(320)를 통하여 상기 레버 부재(350)에 전달될 수 있다. 상기 레버 부재(350)는 제2 힌지(310)의 회전을 통하여 수평 방향 운동을 수직 방향으로 전환시킬 수 있다. 그에 따라 수평 방향으로 움직이는 액추에이터(100)로 수직 방향 운동을 유도해낼 수 있다.
상기 수직 방향 운동의 변위는 지렛대의 원리에 의하여 이해될 수 있으며 레버 부재(350)의 수직 방향 길이에 대한 수평 방향 길이의 비로 조절될 수 있다. 일 예로 동일한 수평 방향 운동 변위에 대하여 레버 부재(350)의 수평 방향 길이가 길어질수록 수직 방향 운동 변위가 커질 수 있다.
상기 제3 힌지 부재(400)는 상기 액추에이터(100)가 관통하는 관통부가 형성된 몸체부(420), 상기 스테이지 연결부(470), 레버 연결부(490), 제4 힌지(430) 및 제5 힌지(450)를 포함할 수 있다.
상기 몸체부(420)는 상기 액추에이터(100)가 관통할 수 있도록 형성된 관통부를 포함할 수 있다. 그에 따라, 관통부를 통하여 액추에이터(100)의 가운데에 수직 하중이 전달되게 된다. 전단 응력은 액추에이터로 전달되어 레버 부재에 가해지는 전단 응력을 최소화할 수 있으며 고 하중에도 견딜 수 있는 내하중성을 갖는 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있다.
상기 몸체부(420)는 내부에 액추에이터(100)가 관통하도록 형성될 수 있으며, 그에 따라 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부(11) 내에서 수직 구동부가 차지하는 공간이 작아질 수 있다.
상기 스테이지 연결부(470)는 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부(11)에서 만들어낸 운동을 스테이지(미도시)에 전달하기 위하여 수직 구동부를 연결하는 역할을 할 수 있다.
상기 레버 연결부(490)는 레버 부재(350)에 제3 힌지 부재(400)를 연결하기 위한 구성으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 레버 연결부(490)에 나사홀을 형성하여 나사를 고정시켜 제3 힌지 부재(400)와 레버 부재(350)를 연결할 수 있다.
상기 제4 힌지(430)는 상기 몸체부와 상기 스테이지를 연결하는 역할을 하며, 상기 몸체부와 상기 스테이지 연결부를 연결할 수 있다. 그리고 상기 제4 힌지(430)는 제3 힌지 부재의 운동을 스테이지에 전달하는 역할을 할 수 있다.
상기 제5 힌지(450)는 레버 연결부와 제3 힌지 부재(400)를 연결하여 레버 부재(350)와 몸체부를 연결하는 역할을 하며, 레버 부재(350)에서 전환한 수직 운동을 제3 힌지 부재(400)에 전달하는 역할을 할 수 있다.
상기 제4 힌지(430) 및 제5 힌지(450)는 2차원 내에서 움직일 수 있는 2방향 힌지일 수 있으며, 일 예로 원형 힌지일 수 있다. 상기 제4 힌지(430) 및 제5 힌지(450)를 포함하는 제3 힌지 부재(400)는 레버 부재(350)에서 전환한 수직 운동을 통하여 스테이지에 전달하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 힌지, 제2 힌지, 제3 힌지, 제4 힌지 및 제5 힌지로 이루어진 군 중에서 하나 이상은 탄성 힌지(Flexure hinge)일 수 있다. 초정밀 이송 시스템의 높은 정밀도 및 반복성을 유지하기 위하여 오차를 최소화할 수 있는 힌지가 사용될 수 있으며 높은 이송 분해능, 나노미터(nm)의 분해능을 갖는 탄성 힌지(Flexure hinge)가 PZT 액추에이터와 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부의 운동을 나타내는 모식도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 구동부(11)는 제1 힌지(210), 제2 힌지(310), 제3 힌지(320), 제4 힌지(430) 및 제5 힌지(450)를 중심으로 운동하는 것을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 액추에이터(100)는 인가되는 전압에 따라 x 방향 왕복운동을 하게 된다. 액추에이터(100)에 인가된 x 방향 왕복 운동은 제1 힌지(210)와 제3 힌지(320)에 전달되게 된다. 제1 힌지(210)에 전달된 x 방향 왕복 운동은 힌지의 이동 방향과 운동방향이 일치하지 않기 때문에 제1 힌지(210)가 움직이지 않고 고정되게 된다. 그리고 거의 모든 x 방향 운동은 제3 힌지(320)로 전달되어 레버 부재를 수평 방향으로 이동시키게 된다.
레버 부재는 운동 방향과 운동 변위를 모두 변화시키는 부재이다. 상기 레버 부재의 제3 힌지(320)가 형성된 점 P3는 힘 점이 되고, 제2 힌지(310)가 형성된 점 P2는 받침점이 되고, 제5 힌지(450)가 형성된 점 P5는 작용점이 된다.
상기 레버 부재의 힘 점 P3에 수평 방향 운동이 유도됨에 따라, 작용점 P5에서는 수직 방향 운동이 유도되게 된다. 그에 따라 액추에이터의 x 방향 왕복 운동은 스테이지에서의 z 방향 왕복 운동으로 전환되게 된다.
지렛대의 원리에 따르면 힘 점과 받침점의 거리와 받침점과 작용점의 거리의 비가 물체가 지렛대를 중심으로 이동함에 있어 힘 점의 변위와 받침점의 변위의 비와 일치하게 된다.
따라서, 본 발명의 수직 구동부(11)에 있어서 x 방향 운동 변위와 z 방향 운동 변위는 다음과 같은 [식 1]을 만족하게 된다.
[식 1]
x 방향 운동 변위: z 방향 운동 변위 = ℓ : L
여기서, ℓ은 힘 점 P3과 받침점 P2 사이의 거리, 즉 제2 힌지에서 제3 힌지 사이의 거리를 나타낸다. 그리고 L은 받침점 P2와 작용점 P5 사이의 거리, 즉 제2 힌지에서 제5 힌지 사이의 거리를 나타낸다.
그에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따르면 레버 부재에서 제2 힌지, 제3 힌지 및 제5 힌지의 위치 또는 레버 부재의 길이를 조절하여 수직 방향(z 방향) 운동 변위를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 L자형 레버 부재를 사용하고, 레버 부재를 액추에이터와 중첩하여 배치하기 때문에 힘 점 P3의 위치와 작용점 P5의 거리가 가까워질 수 있다. 힘 점 P3에 가해지는 수평 운동에너지는 손실을 최소화하여 작용점 P5까지 전달될 수 있다. 그에 따라 정밀한 초정밀 이송 시스템을 구현할 수 있고, 초정밀 이송 시스템의 제어가 보다 쉬워 질 수 있다.
초정밀 스테이지에 있어서, 오차가 존재하는 경우 위치 결정 특성에 영향을 미치게 된다. 측정하고자 하는 대상물과 측정하는 눈금이 일직선으로 정렬되어 있어야 하나 레버 부재가 일직선으로 정렬되지 않은 경우 오차가 발생하게 된다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면 힘 점 P3, 받침점 P2 및 작용점 P5을 순서대로 90°의 각도로 배치할 수 있다. 즉, 제3 힌지, 제2 힌지 및 제5 힌지가 순서대로 90°의 각도를 갖도록 배치할 수 있다. 그에 따라 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
레버 부재에 있어서, 액추에이터의 수평 방향 힘과, 액추에이터의 하중에 의해서 가해지는 수직 방향 힘에 의하여 전단 응력이 발생할 수 있다. 특히 이러한 전단 응력은 수평 방향 운동을 수직 방향 운동으로 전환하는 제2 힌지에 집중적으로 가해지게 되며 그에 따라 제2 힌지가 쉽게 끊어지는 문제가 발생하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 레버 부재에는 지렛대의 원리에 의하여 움직이기 때문에 레버 부재에 가해지는 수직 방향의 힘에 대한 수평 방향의 힘의 비는 ℓ:L이 된다. 따라서, 수직 방향의 힘과 수평 방향의 힘의 합력의 방향 Θ는 다음과 같은 [식 2]를 만족하게 된다.
[식 2]
Figure pat00001
상기 수직 방향의 힘과 수평 방향의 힘의 합력의 방향 Θ와 어긋나게 제2 힌지가 배치되는 경우 어긋나는 방향의 힘에 의하여 제2 힌지에 전단 응력이 발생하게 된다. 그리나, 수직 방향의 힘과 수평 방향의 힘의 합력의 방향 Θ와 일치되게 배치되는 경우 수직 방향의 힘과 수평 방향의 힘은 모두 제2 힌지에 전달되어 베이스가 흡수하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 전단 응력을 최소화하기 위하여 제2 힌지를 수직 방향의 힘과 수평 방향의 힘의 합력의 방향 Θ와 일치하게 배치할 수 있다.
그에 따라, 제2 힌지에는 수직 방향 힘과 수평 방향의 힘에 의하여 전단 응력이 발생하지 않게 된다. 수직 방향의 힘과 수평 방향의 힘의 합력의 방향 Θ와 일치하게 배치하여 제2 힌지에 전단 응력이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 초정밀 이송 시스템의 설계하고자 하는 경우, 사용되는 힌지의 종류와 개수에 따라 원치 않는 방향의 움직임이 유도하는 여 자유도가 발생하게 된다. 수직 구동부의 자유도가 원하는 자유도보다 커져 여 자유도가 존재하는 경우 시스템은 움직임일 때에 있어서 뒤틀림이나 진동이 발생하여 그 움직임을 정확하게 제어할 수 없게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 자유도가 1인 1 방향 힌지의 수와 자유도가 2인 2방향 힌지의 수를 적절히 조절하여 여자유도를 구속할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 2개의 제1 힌지, 2개의 제3 힌지, 각각 1개의 제2 힌지, 제4 힌지 및 제5 힌지를 사용하고, 제1 힌지, 제2 힌지 및 제3 힌지는 1방향 힌지를 사용하고, 제4 힌지 및 제5힌는 2방향 힌지를 사용하여 여자유도를 구속할 수 있는 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있다.
그에 따라, 시스템의 움직임에 있어서 뒤틀림이나 진동이 발생하는 것을 최소화할 수 있으며, 움직임을 정확하게 제어할 수 있다. 즉, 신뢰성 높은 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템은 웨이퍼 렌즈 모듈 접착 장치(Wafer Lens Module Bonding Machine)와 같은 장치에 적용될 수 있다. 웨이퍼 모듈 접착 장치의 경우 위와 아래의 두 웨이퍼를 정밀하게 정렬하여 접착하는 공정을 거쳐 렌즈를 생산할 수 있다. 이 경우 서브미크론 급의 위치 정밀도를 지니는 동시에 접착 공정에서 발생하는 하중을 견딜 수 있는 초정밀 이송 시스템이 필요하다.
본 발명의 초정밀 이송 시스템은 수직 구동부가 수평하게 배치될 수 있으므로 내하중을 견디는 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있으며, 이중 삼각형 구조를 갖기 때문에 서브미크론 급의 위치 정밀도를 지니는 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 초정밀 이송 시스템은 x축, y축 및 z축 방향 회전 운동이 많이 요구되는 광학 장비에 사용될 수 있으며, 광학 장비에 사용되는 경우 오차가 작고 정밀한 위치 조절이 가능해질 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 초정밀 이송 시스템은 그 밖에도 다양한 성능과 형상을 지닌 기판, 칩 등을 신속하고 정밀하게 세팅하는 데에도 사용될 수 있다.
본 발명은 이상에서 설명되는 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.
1: 초정밀 이송 시스템
13: 중공부
10a: 베이스
10b: 스테이지
31, 32, 33, 34, 35, 36: 수평 구동부
21, 22, 23, 24, 25, 26: 수직 구동부
11: 수직 구동부
50: 베이스
100: 액추에이터
110: 일 단
130: 타 단
200: 제1 힌지 부재
210: 제1 힌지
300: 제2 힌지 부재
310: 제2 힌지
320: 제3 힌지
400: 제3 힌지 부재
430: 제4 힌지
450: 제5 힌지

Claims (14)

  1. 베이스와 상기 베이스에 대해 6 자유도로 이동할 수 있는 스테이지;
    상기 베이스와 상기 스테이지 사이를 연결하며, 등 간격으로 배치되어 상기 스테이지의 3 자유도(x축 병진 운동, y축 병진 운동 및 z축 회전 운동)의 면내 운동을 구현하는 3개의 수평 구동부; 및
    상기 베이스와 상기 스테이지 사이를 연결하며, 상기 3개의 수평 구동부와 평행하게 배치되어 상기 스테이지의 3 자유도(x축 회전 운동, y축 회전 운동 및 z축 병진 운동)의 면외 운동을 구현하는 3개의 수직 구동부;
    를 포함하는 초정밀 이송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3개의 수평 구동부와 상기 3개의 수직 구동부는 이중 삼각형 구조를 갖는 초정밀 이송 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 3개의 수평 구동부 내부에 상기 3개의 수직 구동부를 등 간격으로 배치하는 초정밀 이송 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 3개의 수평 구동부 외부에 상기 3개의 수직 구동부를 등 간격으로 배치하는 초정밀 이송 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 3개의 수평 구동부 또는 상기 3개의 수직 구동부의 중심부에 중공부가 형성된 초정밀 이송 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 3개의 수직 구동부는 PZT 액추에이터를 사용하는 초정밀 이송 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수직 구동부는,
    상기 베이스에 대하여 평행하게 배치되어 수평방향으로 운동하는 액추에이터;
    를 포함하는 초정밀 이송 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 베이스와 상기 액추에이터의 일 단에 각각 고정되는 제1 힌지를 포함하는 제1 힌지 부재;
    상기 액추에이터의 타 단에 길이 방향으로 중첩되게 배치된 레버 부재, 상기 베이스와 상기 레버 부재를 연결하는 제2 힌지 및 상기 액추에이터의 타 단과 상기 레버 부재를 연결하는 제3 힌지를 포함하는 제2 힌지 부재; 및
    상기 액추에이터가 관통 연결되는 관통부를 포함하는 몸체부, 상기 몸체부와 상기 스테이지를 연결하는 제4 힌지 및 상기 몸체부와 상기 레버 부재에 연결하는 제5 힌지를 포함하는 제3 힌지 부재;
    를 포함하는 초정밀 이송 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 힌지 부재는,
    상기 액추에이터와 길이 방향으로 양 측면에 중첩되게 배치되며, 상기 베이스에 고정되는 제1 베이스 고정부; 및
    상기 액추에이터의 일 단에 연결되는 제1 액추에이터 연결부;를 포함하고,
    상기 제1 베이스 고정부와 상기 제1 액추에이터 연결부는 상기 양 측면에 배치된 2개의 제1 힌지에 의하여 연결되는 초정밀 이송 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 힌지 부재는,
    상기 액추에이터와 상기 베이스 사이에 배치되며, 상기 베이스에 고정되는 제2 베이스 고정부;
    상기 액추에이터의 타 단에 연결되는 제2 액추에이터 연결부; 및
    상기 액추에이터와 길이방향으로 양 측면에 중첩되게 배치된 L자형 레버 부재;를 포함하고,
    상기 제2 베이스 고정부와 상기 레버 부재는 제2 힌지를 통하여 연결되고,
    상기 제2 액추에이터 연결부와 상기 레버 부재는 상기 액추에이터의 상기 양 측면에 배치된 2개의 제3 힌지를 통하여 연결되는 초정밀 이송 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제3 힌지 부재는,
    상기 몸체부와 상기 스테이지를 연결하는 스테이지 연결부; 및
    상기 몸체부와 상기 레버 부재를 연결하는 레버 연결부;를 더 포함하는 초정밀 이송 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 힌지, 상기 제2 힌지, 상기 제3 힌지, 상기 제4 힌지 및 상기 제5 힌지로 구성된 군 중에서 선택된 하나 이상은 탄성 힌지(flexure hinge)인 초정밀 이송 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제2 힌지와 상기 제3 힌지 사이의 거리를 ℓ이라 정의하고,
    상기 제2 힌지와 상기 제5 힌지 사이의 거리는 L이라 정의하면,
    ℓ과 L의 길이비를 조절하여 상기 스테이지의 수직 변위를 제어하는 초정밀 이송 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제2 힌지는 상기 레버 부재에 가해지는 수평 방향 힘과 수직 방향 힘의 합력과 동일한 방향으로 배치되는 초정밀 이송 시스템.
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