KR20130022551A

KR20130022551A - 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부 및 이를 포함하는 초정밀 이송 시스템

Info

Publication number: KR20130022551A
Application number: KR1020110085169A
Authority: KR
Inventors: 신현표; 문준희
Original assignee: 삼성전기주식회사; 문준희
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2013-03-07

Abstract

본 발명은 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부 및 이를 포함하는 초정밀 이송 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부는 베이스에 대하여 수평방향으로 운동하는 액추에이터; 베이스와 상기 액추에이터의 일단에 각각 고정되는 제1 힌지를 포함하는 제1 힌지 부재; 액추에이터의 측면에 타단에서 일단 방향으로 배치된 레버 부재를 포함하고, 상기 베이스와 상기 레버 부재를 연결하는 제2 힌지와 상기 액추에이터의 타단과 상기 레버 부재를 연결하는 제3 힌지를 포함하는 제2 힌지 부재; 및 액추에이터가 관통 연결되는 관통부를 포함하고, 상기 액추에이터의 관통 연결부와 모션 스테이지에 각각 고정되는 제4 힌지와 상기 액추에이터의 관통 연결부와 상기 제2 힌지 부재의 레버 부재에 각각 고정되는 제5 힌지를 포함하는 제3 힌지 부재;를 포함할 수 있다.

Description

초정밀 이송 시스템용 수직 구동부 및 이를 포함하는 초정밀 이송 시스템 {Vertical Actuator for Ultra-Precision Moving Apparatus and Ultra-Precision Moving Apparatus having the same}

본 발명은 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부 및 이를 포함하는 초정밀 이송 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 전단 응력을 최소화하여 모션 정밀도를 높이고, 오차를 최소화할 수 있는 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부 및 이를 포함하는 초정밀 이송 시스템에 관한 것이다.

산업현장의 각 분야에서 초정밀 위치결정기술의 중요성은 날로 증대되고 있다. 특히, 반도체 기술의 발전은 회로의 고집적화를 불러온 결과, 최신 마이크로프로세서에 사용되는 선의 폭이 0.18㎛ 수준으로 머리카락 굵기의 1/500 수준이며, 이 경우 웨이퍼를 제작하는 스테이지에 요구되는 정밀도는 선 폭의 1/10 수준인 20nm 의 재현성이 요구된다.

또한, 서브 미크론 수준의 초정밀 이송장치의 구현은 원자간력현미경(AFM; Atomic Force Microscope), 주사형 전자현미경(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 수직 방향의 운동을 구현하면서도 소형화가 가능하고 고강성 특성을 나타낼 수 있는 초정밀 이송 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 실시 양태는 수직 방향 운동의 구동 거리를 증가시키면서도 제어가 용이한 초정밀 이송 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템용 베이스에 대하여 평행하게 배치되어 수평방향으로 운동하는 액추에이터; 베이스와 상기 액추에이터의 일 단에 각각 고정되는 제1 힌지를 포함하는 제1 힌지 부재; 액추에이터의 타 단(13)에 길이 방향으로 중첩되게 배치된 레버 부재, 상기 베이스와 상기 레버 부재를 연결하는 제2 힌지 및 상기 액추에이터의 타 단(13)과 상기 레버 부재를 연결하는 제3 힌지를 포함하는 제2 힌지 부재; 및 액추에이터가 관통 연결되는 관통부를 포함하는 몸체부, 상기 몸체부와 모션 스테이지에 연결되는 제4 힌지 및 상기 몸체부와 상기 레버 부재에 연결되는 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 단(13)에 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 모션 스테이지를 연결하는 모션 스테이지 연결부; 및 몸체부와 상기 레버 부재를 연결하는 레버 연결부;를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 힌지, 상기 제3 힌지 및 상기 제5 힌지는 순서대로 90°의 각도로 배치될 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 제1 힌지, 상기 제2 힌지 및 상기 제3 힌지 중 하나 이상은 노치형 힌지일 수 있다.

상기 제4 힌지 및 제5 힌지 중 하나 이상은 원형 힌지일 수 있다.

상기 제2 힌지와 상기 제3 힌지 사이의 거리를 ℓ이라 정의하고, 제2 힌지와 상기 제5 힌지 사이의 거리는 L이라 정의하면, ℓ과 L의 길이비를 조절하여 상기 모션 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.

상기 제2 힌지는 상기 베이스에 대하여 Θ의 각도를 갖도록 배치되며, Θ는 다음과 같은 [수학식 1]을 만족할 수 있다.

[수학식 1]

본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부는 상기 액추에이터의 양 측면에 배치되는 2개의 노치형 힌지인 제1 힌지; 1개의 노치형 힌지인 제2 힌지; 액추에이터의 양 측면에 배치되는 2개의 노치형 힌지인 제3 힌지; 및 각각 1개의 원형 힌지인 제4 힌지와 제5 힌지;를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초정밀 스테이지는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부를 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 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 시스템의 수직 구동부(1)를 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부(1)는 베이스(5)에 대하여 수평방향으로 운동하는 액추에이터(10)를 포함하고 제1 힌지 부재(20), 제2 힌지 부재(30) 및 제3 힌지 부재(40)를 포함할 수 있다.

상기 제1 힌지 부재(20)는 상기 베이스(5)와 상기 액추에이터(10)의 일 단(11)을 연결하는 제1 힌지(21)를 포함할 수 있다.

상기 제2 힌지 부재(30)는 상기 액추에이터(10)의 타 단(13)에서 길이방향으로 중첩되게 배치되는 레버 부재(35)를 포함하고, 상기 베이스(5)와 상기 레버 부재(35)를 연결하는 제2 힌지(31)와 상기 액추에이터(10)의 타 단과 상기 레버 부재(35)를 연결하는 제3 힌지(32)를 포함할 수 있다.

그리고 상기 제3 힌지 부재(40)는 액추에이터(10)가 관통하는 관통부(41)를 포함하는 몸체부(42)를 포함하고, 상기 몸체부(42)와 모션 스테이지(미도시)를 연결하는 제4 힌지(43)와 상기 몸체부(42)와 상기 제2 힌지 부재(30)의 레버 부재를 연결하는 제5 힌지(45)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 액추에이터(10)는 제1 힌지 부재(20), 제2 힌지 부재(30) 및 제3 힌지 부재(40)의 상호 작용에 의하여 액추에이터(10)의 수평 운동을 수직 운동으로 변경하여 모션 스테이지에 공급할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부(1)의 분해 사시도이다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부(1)의 구성에 대하여 알아보자.

상기 액추에이터(10)는 베이스(5)에 대하여 평행하게 배치되어 수평방향으로 운동하는 액추에이터(10)일 수 있다. 상기 액추에이터(10)는 수평방향 운동을 유도해 내는 다양한 소자가 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 액추에이터(10)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 장치에 PZT 액추에이터가 사용되면 전압의 크기 등을 조절하여 0.1㎛ 이하의 정밀한 운동(motion)을 유도해낼 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 분해능,을 갖는 탄성 힌지(Flexure hinge)가 PZT 액추에이터와 함께 사용될 수 있다.

상기 제1 힌지 부재(20)는 상기 베이스(5)에 고정되는 제1 베이스 고정부(25), 상기 액추에이터(10)의 일 단(11)을 수용하는 제1 액추에이터 연결부(23) 및 상기 제1 베이스 고정부(25)와 상기 제1 액추에이터 연결부(23)를 연결하는 제1 힌지(21)를 포함할 수 있다.

상기 제1 베이스 고정부(25)는 상기 액추에이터(10)와 길이방향으로 중첩되게 배치되며 상기 베이스(5)와 접하는 면에 복수 개의 고정홀(H)이 형성될 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니나 제1 베이스 고정부(25)의 고정홀(H)에 나사산을 형성하여 베이스(5)와 나사(28)를 결합하여 상기 제1 베이스 고정부(25)를 베이스(5)에 고정할 수 있다. 그에 따라 제1 힌지 부재(20)를 베이스(5)에 고정하는 역할을 한다.

본 명세서에서 중첩되어 배치되는 것은 서로 운동에 영향을 미치지 않도록 닿지 않게 배치되는 것을 의미하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 다르면 액추에이터와 길이방향으로 중첩되게 배치되기 때문에 전체 시스템의 길이를 줄일 수 있고 설치 공간을 최소화할 수 있다.

상기 제1 액추에이터 연결부(23)는 상기 액추에이터(10)의 일 단(11)에 고정 연결될 수 있다. 상기 액추에이터(10)의 수평 방향 움직임을 제1 힌지(21)에 전달하는 역할을 한다.

상기 제1 힌지(21)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 전달되게 된다.

상기 제1 액추에이터 연결부(23)와 상기 제1 베이스 고정부(25)는 2 개의 제1 힌지(21)를 통하여 연결될 수 있다. 상기 액추에이터(10)의 길이방향 양 측면에 2개의 제1 힌지(21)를 배치하여 상기 제1 베이스 고정부(25)와 연결될 수 있다.

상기 제1 힌지(21)는 1 방향 힌지일 수 있으며, 일 예로 노치형 힌지일 수 있다. 1 방향 힌지의 경우 힌지를 중심으로 양측의 고정부를 1 차원적으로 움직이게 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 베이스 고정부(25)는 베이스에 고정되어 있으므로 2 개의 제1 힌지(21)를 중심으로 상기 제1 액추에이터 연결부(23)를 수직방향으로 1 차원적으로 움직일 수 있다.

상기 제2 힌지 부재(30)는 제2 힌지(31), 제3 힌지(32), 제2 베이스 고정부(33), 레버 부재(35) 및 제2 액추에이터 연결부(37)를 포함할 수 있다.

상기 제2 베이스 고정부(33)는 베이스(5)와 마주하는 면에 형성된 고정홀(H)을 통하여 베이스(5)에 나사(38)를 통하여 나사 결합하는 방식으로 고정될 수 있다.

상기 제2 베이스 고정부(33)는 베이스(5)와 액추에이터 사이에 배치될 수 있으며, 레버 부재(35)에 제2 힌지(31)를 통하여 연결될 수 있다.

상기 제2 힌지(31)는 1 방향 힌지일 수 있으며, 일 예로 노치형 힌지일 수 있다. 상기 제2 베이스 고정부(33)는 베이스(5)에 고정되어 있으므로 상기 제2 베이스 고정부(33)에 연결된 레버 부재(35)는 제2 힌지(31)를 중심으로 1 차원적으로 움직이도록 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 제2 힌지(31)를 중심으로 상기 레버 부재(35)는 회전하도록 형성될 수 있으며 레버 부재(35)는 회전에 의하여 수평 방향 운동을 수직 방향 운동으로 변환시킬 수 있다.

상기 레버 부재(35)는 상기 액추에이터(10)의 타 단에서 길이방향으로 중첩되도록 형성될 수 있다.

상기 레버 부재(35)는 상기 액추에이터(10)의 길이방향으로 중첩되도록 형성될 수 있으며 L자 형태로 형성되어 수평 방향 운동을 수직 방향 운동으로 전환하도록 형성될 수 있다.

상기 제2 액추에이터 연결부(37)는 상기 액추에이터(10)의 타 단에 고정연결될 수 있다. 상기 제2 액추에이터 연결부(37)는 레버 부재(35)와 2 개의 제3 힌지(32)를 통하여 연결될 수 있다.

상기 제3 힌지(32)는 1 차원적으로 움직이는 1 방향 힌지일 수 있으며, 일 예로 노치형 힌지일 수 있다. 그에 따라, 제3 힌지(32)는 수직 방향으로만 움직이게 형성되고 상기 액추에이터(10)의 수평 방향 운동은 전부 제2 힌지에 전달되어 수직 반향 운동으로 전환될 수 있다.

다시 말해, 상기 액추에이터(10)의 수평 방향 운동은 2 개의 제3 힌지(32)를 통하여 상기 레버 부재(35)에 전달될 수 있다. 상기 레버 부재(35)는 제2 힌지(31)의 회전을 통하여 수평 방향 운동을 수직 방향 운동으로 전환시킬 수 있다. 그에 따라 수평 방향으로 움직이는 액추에이터(10)로 수직 방향 운동을 유도해낼 수 있다.

상기 수직 방향 운동의 변위는 지렛대 원리에 의하여 이해될 수 있으며 레버 부재(35)의 수직 방향 길이에 대한 수평 방향 길이의 비로 조절될 수 있다. 일 예로 동일한 수평 방향 운동 변위에 대하여 레버 부재(35)의 수평 방향 길이가 길어질수록 수직 방향 운동 변위가 커질 수 있다.

상기 제3 힌지 부재(40)는 상기 액추에이터(10)가 관통하는 관통부(41)가 형성된 몸체부(42), 상기 모션 스테이지 연결부(47), 레버 연결부(49), 제4 힌지(43) 및 제5 힌지(45)를 포함할 수 있다.

상기 몸체부(42)는 상기 액추에이터(10)가 관통할 수 있도록 형성된 관통부(41)을 포함할 수 있다. 그에 따라, 관통부(41)를 통하여 액추에이터(10)의 가운데에 수직 하중이 전달되게 된다. 전단 응력은 액추에이터로 전달되게 되어 레버 부재에 가해지는 전단 응력을 최소화할 수 있으며 고 하중에도 견딜 수 있는 내하중성을 갖는 초정밀 이송 시스템을 제조할 수 있다.

그에 따라, 전단 응력이 거의 존재하지 않게 되고 레버 부재 및 액추에이터에 전달되는 전단 응력을 최소화할 수 있다.

상기 몸체부(42)는 내부에 액추에이터(10)가 관통하도록 형성될 수 있으며, 그에 따라 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부(1) 내에서 수직 구동부가 차지하는 공간이 작아질 수 있다.

상기 모션 스테이지 연결부(47)는 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부(1)에서 만들어낸 운동을 모션 스테이지(미도시)에 전달하기 위하여 수직 구동부를 연결하는 역할을 할 수 있다.

상기 레버 연결부(49)는 레버 부재(35)에 제3 힌지 부재(40)를 연결하기 위한 구성으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 레버 연결부(49)에 나사홀(H)을 형성하여 나사(48)를 고정시켜 제3 힌지 부재(40)와 레버 부재(35)를 연결할 수 있다.

상기 제4 힌지(43)는 상기 몸체부와 상기 모션 스테이지를 연결하는 역할을 하며, 상기 몸체부와 상기 모션 스테이지 연결부를 연결할 수 있다. 그리고 상기 제4 힌지(43)는 제3 힌지 부재의 운동을 모션 스테이지에 전달하는 역할을 할 수 있다.

상기 제5 힌지(45)는 레버 연결부와 제3 힌지 부재(40)를 연결하여 레버 부재(35)와 몸체부를 연결하는 역할을 하며, 레버 부재(35)에서 전환한 수직 운동을 제3 힌지 부재(40)에 전달하는 역할을 할 수 있다.

상기 제4 힌지(43) 및 제5 힌지(45)는 2차원 내에서 움직일 수 있는 2방향 힌지일 수 있으며, 일 예로 원형 힌지일 수 있다. 상기 제4 힌지(43) 및 제5 힌지(45)를 포함하는 제3 힌지 부재(40)는 레버 부재(35)에서 전환한 수직 운동을 통하여 모션 스테이지에 전달하는 역할을 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부의 운동을 나타내는 모식도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 구동부(1)는 제1 힌지(21), 제2 힌지(31), 제3 힌지(32), 제4 힌지(43) 및 제5 힌지(45)를 중심으로 운동하는 것을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 액추에이터(10)는 인가되는 전압에 따라 x 방향 왕복운동을 하게 된다. 액추에이터(10)에 인가된 x 방향 왕복 운동은 제1 힌지(21)와 제3 힌지(32)에 전달되게 된다. 제1 힌지(21)에 전달된 x 방향 왕복 운동은 힌지의 이동 방향과 운동방향이 일치하지 않기 때문에 제1 힌지(21)가 움직이지 않고 고정되게 된다. 그리고 거의 모든 x 방향 운동은 제3 힌지(32)로 전달되어 레버 부재를 수평 방향으로 이동시키게 된다.

레버 부재는 운동 방향과 운동 변위를 모두 변화시키는 부재이다. 상기 레버 부재의 제3 힌지(32)가 형성된 점 P3는 힘 점이 되고, 제2 힌지(31)가 형성된 점 P2는 받침점이 되고, 제5 힌지(45)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 모션 스테이지에서의 y 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(1)에 있어서 x 방향 운동 변위와 y 방향 운동 변위는 다음과 같은 [식 1]을 만족하게 된다.

[식 1]

x 방향 운동 변위: y 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(y 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.

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]

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.

그에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따르면 전단 응력을 최소화하기 위하여 제2 힌지를 수직 방향의 힘과 수평 방향의 힘의 합력의 방향 Θ와 일치하게 배치할 수 있다.

즉, 상기 베이스에 대하여 상기 제2 힌지를 Θ의 각도를 갖도록 형성할 수 있다. 그리고 상기 Θ는 다음과 같은 식을 만족할 수 있다.

[식 3]

본 발명의 일 실시예에 따르면 제2 힌지에는 수직 방향 힘과 수평 방향의 힘에 의하여 전단 응력이 발생하지 않게 된다. 수직 방향의 힘과 수평 방향의 힘의 합력의 방향 Θ과 일치하게 배치하여 제2 힌지에 전단 응력이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

상기 초정밀 이송 시스템의 수직 구동부(1)를 6-자유도(Degrees of Freedom; DOF)의 움직임을 갖도록 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 6 자유도를 갖는 초정밀 이송 시스템을 구현하여 여자유도를 구속할 수 있는 초정밀 이송 시스템을 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 여 자유도가 존재하지 않은 수직 구동부를 구현할 수 있게 된다. 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 수직 구동부는 액추에이터를 수평으로 배치하여 높이를 낮추고 강성을 높였다. 또한, 액추에이터를 수평으로 배치함에 있어 베이스 고정부와 액추에이터 연결부를 액추에이터와 중첩되게 배치하여 수직 구동부가 차지하는 공간을 최소화하였다. 즉 제품의 설치 공간을 최소화하였다.

더 나아가, 액추에이터를 수평으로 배치하는 경우 하중에 의하여 레버 부재에 전단력이 발생할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 하중에 의한 전단력이 모두 베이스 고정부로 전달되도록 힌지 부재가 배치되는 각도를 조절하였다. 그에 따라 레버 부재에 전단력이 가해지기 때문에 발생하는 스트레스를 최소화하였다.

본 발명에서는 액추에이터가 제3 힌지 부재를 관통하도록 형성하여 수직 구동부의 하중을 액추에이터의 중심 위치에 가까운 위치에서 받도록 설계하였다. 그에 따라, 전단 응력을 최소화할 수 있으며 수직 구동부의 정밀도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 구동부는 6 자유도를 갖도록 설계되어 3차원 물체에 있어서 여자유도가 생성되지 않도록 설계될 수 있다. 또한, 레버 부재에 연결된 힌지들이 수직 하중에 대한 수평 하중의 비율이 맞도록 각도를 계산하여 배치하므로 힌지 부위에 전단 응력이 가해지지 않게 할 수 있다.

그리고, 레버 부재에서 각 힌지가 수직 또는 수평 방향으로 일직선상에 배치되어 오차를 없애 제품의 정밀도를 향상시켰다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수직 구동부를 포함하는 초정밀 이송 시스템은 다양한 초정밀 이송 스테이지와 같은 장치에 적용될 수 있다. 일 예로, 본 발명의 초정밀 이송 시스템은 웨이퍼 렌즈 모듈 접착 장치(Wafer Lens Module Bonding Machine)에 적용될 수 있다. 웨이퍼 렌즈 모듈 접착 공정에서 웨이퍼 렌즈의 위치를 정밀하게 제어하여 복수 개의 웨이퍼 렌즈를 접착해야 한다. 이 경우 본 발명의 수직 구동부를 이용하여 서브 미크론 급의 위치 정밀도로 웨이퍼 렌즈의 위치를 제어할 수 있고, 접착 공정에서 발생하는 고하중을 견딜 수 있는 초정밀 이송 스테이지를 제작할 수 있다.

본 발명의 수직 구동부를 포함하는 초정밀 이송 시스템은 강성을 갖도록 제작되어 내하중성이 있으므로 서브 미크론 급의 위치 정렬뿐만 아니라 동시에 하중을 받는 공정을 수행할 수 있다. 그에 따라 공정을 단순화시킬 수 있고 셋업 시간을 단축할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수직 구동부를 포함하는 초정밀 이송 시스템의 경우 미세 운동을 정확하게 수행할 수 있으며, 전체 시스템의 높이를 크게 감소시키면서 내하중성을 갖도록 설계할 수 있다. 더 나아가, 탄성을 갖는 힌지들의 간섭에 의한 마모를 최소화할 수 있으며 매우 높은 재현성을 갖고 미세한 운동을 구현해 낼 수 있는 초정밀 이송 시스템을 제공할 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
5: 베이스
10: 액추에이터
11: 일 단
13: 타 단
20: 제1 힌지 부재
21: 제1 힌지
H: 고정홀
28, 38, 48: 나사
30: 제2 힌지 부재
31: 제2 힌지
32: 제3 힌지
40: 제3 힌지 부재
43: 제4 힌지
45: 제5 힌지

Claims

베이스에 대하여 평행하게 배치되어 수평방향으로 운동하는 액추에이터;
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 모션 스테이지에 연결하는 제4 힌지 및 상기 몸체부와 상기 레버 부재에 연결하는 제5 힌지를 포함하는 제3 힌지 부재;
를 포함하는 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부.
제1항에 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 시스템용 수직 구동부.
제1항에 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 시스템용 수직 구동부.
제1항에 있어서,
상기 제3 힌지 부재는,
상기 몸체부와 모션 스테이지를 연결하는 모션 스테이지 연결부; 및
상기 몸체부와 상기 레버 부재를 연결하는 레버 연결부;를 더 포함하는 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부.
제1항에 있어서,
상기 제2 힌지, 상기 제3 힌지 및 상기 제5 힌지는 순서대로 90°의 각도로 배치되는 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부.
제1항에 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 시스템용 수직 구동부.
제1항에 있어서,
상기 제1 힌지, 상기 제2 힌지 및 상기 제3 힌지 중 하나 이상은 노치형 힌지인 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부.
제1항에 있어서,
상기 제4 힌지 및 제5 힌지 중 하나 이상은 원형 힌지인 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부.
제1항에 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 모션 스테이지의 수직 변위를 제어하는 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부.
제1항에 있어서,
상기 제2 힌지는 상기 레버 부재에 가해지는 수평 방향 힘과 수직 방향 힘의 합력과 동일한 방향으로 배치되는 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부.
제1항에 있어서,
상기 제2 힌지는 상기 베이스에 대하여 Θ의 각도를 갖도록 배치되며,
Θ는 다음과 같은 [수학식 1]을 만족하는 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부.
[수학식 1]
제1항에 있어서,
상기 액추에이터의 양 측면에 배치되는 2개의 노치형 힌지인 제1 힌지;
1개의 노치형 힌지인 제2 힌지;
상기 액추에이터의 양 측면에 배치되는 2개의 노치형 힌지인 제3 힌지; 및
각각 1개의 원형 힌지인 제4 힌지와 제5 힌지;
를 포함하는 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부를 포함하는 초정밀 이송 시스템.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 초정밀 이송 시스템용 수직 구동부를 포함하는 초정밀 이송 스테이지.