KR20190029386A - 정밀 회전 스테이지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정밀 회전 스테이지 장치에 관한 것으로, 탄성 변형 특성을 갖는 메인 탄성 회전 모듈에 형성된 메인 회전중심을 기준으로 상부 스테이지를 회전 이동하도록 함으로써, 회전중심을 정확하게 유지할 수 있고, 이에 따라 정밀한 미세 회전 이동이 가능하고 회전 각도에 대한 미세 위치 정렬 작업이 가능하며, 회전 구동부에 대한 동작 제어를 단순화할 수 있을 뿐만 아니라 상부 스테이지의 회전 이동 거리를 더욱 미세한 단위로 정확하게 제어할 수 있는 정밀 회전 스테이지 장치를 제공한다.

Description

정밀 회전 스테이지 장치{Precision Rotation Stage}
본 발명은 정밀 회전 스테이지 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 탄성 변형 특성을 갖는 메인 탄성 회전 모듈에 형성된 메인 회전중심을 기준으로 상부 스테이지를 회전 이동하도록 함으로써, 회전중심을 정확하게 유지할 수 있고, 이에 따라 정밀한 미세 회전 이동이 가능하고 회전 각도에 대한 미세 위치 정렬 작업이 가능하며, 회전 구동부에 대한 동작 제어를 단순화할 수 있을 뿐만 아니라 상부 스테이지의 회전 이동 거리를 더욱 미세한 단위로 정확하게 제어할 수 있는 정밀 회전 스테이지 장치에 관한 것이다.
최근에는 기술 발전에 따라 반도체 등의 공정이 초미세화되고 있으며, 이에 따라 공정에 사용되는 장비에는 수 마이크로 또는 나노 수준의 위치 결정을 정확하게 수행할 수 있는 정밀 스테이지 장치가 널리 사용되고 있다.
이러한 위치 결정용 정밀 스테이지 장치는 전자 주사 현미경에서의 대물 위치 조정, 셀 조작, 마이크로 가공 및 조립, 광학 장치의 위치 및 자세 결정, 웨이퍼 정렬 등 최근 첨단 기술 분야에서 필수적인 장비로 사용되고 있다.
일반적인 정밀 스테이지 장치는 스테이지의 평면 상에 형성된 X축 및 Y축 방향으로 스테이지를 미세 직선 이동시켜 평면상의 위치를 정렬시키도록 구성되고 있는데, 최근에는 이러한 직선 이동 방식을 통한 위치 정렬 기능 이외에도 스테이지의 평면 상에서 스테이지를 수평 회전 이동시켜 평면상의 위치를 정렬시키는 회전 이동 방식을 통한 위치 정렬 기능 또한 아울러 요구되고 있다.
스테이지를 별도의 회전축을 중심으로 수 마이크로 또는 나노 수준의 미세 회전 이동을 정확하게 수행하기 위해서는 회전 이동에 대한 높은 분해능이 요구될 뿐만 아니라 기구 요소들에 대한 가공 및 조립 정밀도가 고도의 수준으로 요구된다.
특히, 스테이지의 회전 이동 중심인 회전축의 경우, 일반적인 샤프트를 이용한 힌지 구조 또는 베어링 등을 사용하게 되면, 그 구조 자체에서 발생하는 가공 및 조립 오차 또는 마모, 마찰 등에 의해 나노 수준의 정밀도를 유지할 수 없다.
따라서, 최근에는 플렉셔(flexure) 힌지를 사용한 스테이지 장치들이 개발되고 있으나, 플렉셔 힌지의 경우 구조가 복잡하여 기구학 해석이 복잡해지고 이에 따라 장치의 동작 제어가 어렵고 복잡해지는 등의 문제가 있다.
국내등록특허 제10-0497729호
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 탄성 변형 특성을 갖는 메인 탄성 회전 모듈에 형성된 메인 회전중심을 기준으로 상부 스테이지를 회전 이동하도록 함으로써, 별도의 힌지축이나 또는 베어링 등의 회전축 구성요소가 불필요하고, 이에 따라 회전축 구성요소의 가공 및 조립 공차 또는 마찰, 마모 등에 의해 발생하는 회전 이동의 오차를 방지하고, 회전중심을 정확하게 유지할 수 있으며, 이에 따라 정밀한 미세 회전 이동이 가능하고 회전 각도에 대한 미세 위치 정렬 작업이 가능한 정밀 회전 스테이지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상부 스테이지를 회전 이동시키는 회전 구동 유닛의 회전 중심을 별도의 탄성 변형 특성을 갖는 작동 탄성 회전 모듈의 작동 회전중심으로 형성함으로써, 회전 구동 유닛의 동작 또한 마찬가지로 별도의 회전축 구성요소가 불필요하여 회전 중심을 정확하게 유지할 수 있고, 상부 스테이지에 대한 회전 구동 상태를 정확하게 제어할 수 있는 정밀 회전 스테이지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 회전 구동 유닛의 작동 구조를 입력 작동 거리에 비해 출력 작동 거리가 작도록 함으로써, 모터와 같은 회전 구동부에 의한 작동 거리를 크게 제어하더라도 상부 스테이지의 회전 이동 거리는 작게 유지되므로, 회전 구동부에 대한 동작 제어를 단순화할 수 있을 뿐만 아니라 상부 스테이지의 회전 이동 거리를 더욱 미세한 단위로 정확하게 제어할 수 있는 정밀 회전 스테이지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 베이스 스테이지; 상기 베이스 스테이지의 상부에 수평 방향으로 회전 이동 가능하게 배치되는 상부 스테이지; 상기 상부 스테이지를 수평 방향으로 회전 이동시키는 회전 구동 유닛; 및 상기 베이스 스테이지와 상부 스테이지 사이에 배치되며, 중심부에 상기 상부 스테이지의 메인 회전중심이 형성되도록 일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 상부 스테이지에 결합되며, 상기 메인 회전중심을 기준으로 타측단부가 상기 상부 스테이지와 함께 일체로 회전 이동하도록 탄성 변형 가능하게 형성되는 메인 탄성 회전 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 회전 스테이지 장치를 제공한다.
이때, 상기 메인 탄성 회전 모듈은, 일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 상부 스테이지에 결합되는 제 1 메인 판 스프링; 및 일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 상부 스테이지에 결합되며, 상기 제 1 메인 판 스프링의 하부에 위치하며 상기 제 1 메인 판 스프링과 교차하는 방향으로 배치되는 제 2 메인 판 스프링을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 메인 판 스프링은 각각의 중심부에서 서로 교차하도록 배치되어 상호 교차하는 지점에 상기 메인 회전중심이 형성될 수 있다.
또한, 상기 메인 탄성 회전 모듈은, 하단이 상기 베이스 스테이지의 상부에 고정 결합되며 측면이 상기 제 1 및 제 2 메인 판 스프링의 일측단부에 각각 결합되는 메인 베이스 연결 바디; 및 상단이 상기 상부 스테이지의 하부에 고정 결합되며 측면이 상기 제 1 및 제 2 메인 판 스프링의 타측단부에 각각 결합되는 메인 상부 연결 바디를 더 포함하고, 상기 메인 베이스 연결 바디와 메인 상부 연결 바디는 상기 제 1 및 제 2 메인 판 스프링의 교차 구조에 의해 분리되는 4개 영역 중 서로 대각선 영역에 각각 배치될 수 있다.
또한, 상기 회전 구동 유닛은, 일측 방향으로 길게 형성되며 작동 회전중심을 기준으로 수평 회전 이동하도록 장착되는 작동 바디; 중심부에 상기 작동 회전중심이 형성되도록 일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 작동 바디에 결합되며, 상기 작동 회전중심을 기준으로 타측단부가 상기 작동 바디와 함께 일체로 회전이동하도록 탄성 변형 가능하게 형성되는 작동 탄성 회전 모듈; 상기 작동 바디를 상기 작동 회전중심을 기준으로 수평 회전 이동시키는 회전 구동부; 및 상기 작동 바디의 회전 이동에 연동하여 상기 상부 스테이지가 상기 메인 회전중심을 기준으로 회전하도록 상기 작동 바디와 상기 상부 스테이지를 연동시키는 연동 수단을 포함할 수 있다.
또한, 상기 작동 탄성 회전 모듈은, 일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 작동 바디에 결합되는 제 1 작동 판 스프링; 및 일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 작동 바디에 결합되며, 상기 제 1 작동 판 스프링의 하부에 위치하며 상기 제 1 작동 판 스프링과 교차하는 방향으로 배치되는 제 2 작동 판 스프링을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 작동 판 스프링은 각각의 중심부에서 서로 교차하도록 배치되어 상호 교차하는 지점에 상기 작동 회전중심이 형성될 수 있다.
또한, 상기 작동 탄성 회전 모듈은, 하단이 상기 베이스 스테이지의 상부에 고정 결합되며 측면이 상기 제 1 및 제 2 작동 판 스프링의 일측단부에 각각 결합되는 작동 베이스 연결 바디를 더 포함하고, 상기 작동 바디에는 상기 제 1 및 제 2 작동 판 스프링의 타측단부에 결합되도록 길이 방향에 대한 직각 방향으로 돌출되는 결합 돌출부가 형성되며, 상기 작동 베이스 연결 바디와 상기 결합 돌출부가 상기 제 1 및 제 2 작동 판 스프링의 교차 구조에 의해 분리되는 4개 영역 중 서로 대각선 영역에 각각 배치될 수 있다.
또한, 상기 작동 회전중심은 상기 작동 바디의 길이 방향 전체 구간 중 중간 구간에 위치하도록 형성되고, 상기 연동 수단은 상기 작동 바디의 일측 끝단에 결합되고, 상기 회전 구동부는 상기 작동 바디의 타측 끝단부를 가압하도록 배치되며, 상기 작동 회전중심에서 상기 작동 바디의 길이 방향을 따라 상기 회전 구동부의 가압 지점까지의 거리(L1)가 상기 연동 수단까지의 거리(L2)보다 더 길게 형성될 수 있다.
또한, 상기 연동 수단은, 상기 작동 바디의 일측 끝단에 결합되어 상기 작동 바디와 함께 상기 작동 회전중심을 기준으로 일체로 회전하는 지지 바디; 상단이 상기 상부 스테이지에 결합되어 상기 상부 스테이지와 함께 상기 메인 회전중심을 기준으로 일체로 회전하는 상부 고정 바디; 및 상기 상부 고정 바디가 상기 지지 바디에 탄성 밀착 접촉하도록 상기 상부 고정 바디에 탄성력을 가하는 탄성 스프링을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 탄성 변형 특성을 갖는 메인 탄성 회전 모듈에 형성된 메인 회전중심을 기준으로 상부 스테이지를 회전 이동하도록 함으로써, 별도의 힌지축이나 또는 베어링 등의 회전축 구성요소가 불필요하고, 이에 따라 회전축 구성요소의 가공 및 조립 공차 또는 마찰, 마모 등에 의해 발생하는 회전 이동의 오차를 방지하고, 회전중심을 정확하게 유지할 수 있으며, 이에 따라 정밀한 미세 회전 이동이 가능하고 회전 각도에 대한 미세 위치 정렬 작업이 가능한 효과가 있다.
또한, 상부 스테이지를 회전 이동시키는 회전 구동 유닛의 회전 중심을 별도의 탄성 변형 특성을 갖는 작동 탄성 회전 모듈의 작동 회전중심으로 형성함으로써, 회전 구동 유닛의 동작 또한 마찬가지로 별도의 회전축 구성요소가 불필요하여 회전 중심을 정확하게 유지할 수 있고, 상부 스테이지에 대한 회전 구동 상태를 정확하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 회전 구동 유닛의 작동 구조를 입력 작동 거리에 비해 출력 작동 거리가 작도록 함으로써, 모터와 같은 회전 구동부에 의한 작동 거리를 크게 제어하더라도 상부 스테이지의 회전 이동 거리는 작게 유지되므로, 회전 구동부에 대한 동작 제어를 단순화할 수 있을 뿐만 아니라 상부 스테이지의 회전 이동 거리를 더욱 미세한 단위로 정확하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 회전 스테이지 장치의 외형을 개략적으로 도시한 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 회전 스테이지 장치의 구성을 일부 분해하여 개략적으로 도시한 일부 분해 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 탄성 회전 모듈의 구성을 분해하여 개략적으로 도시한 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 탄성 회전 모듈의 배치 구조를 개략적으로 도시한 단면도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동 유닛의 구성을 개략적으로 도시한 사시도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동 유닛의 구성을 일부 분해하여 개략적으로 도시한 분해 사시도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동 유닛의 구조를 개략적으로 도시한 단면도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 회전 스테이지 장치의 작동 상태를 개략적으로 도시한 작동 상태도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 회전 스테이지 장치의 외형을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 회전 스테이지 장치의 구성을 일부 분해하여 개략적으로 도시한 일부 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 탄성 회전 모듈의 구성을 분해하여 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 탄성 회전 모듈의 배치 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 회전 스테이지 장치는 탄성 변형하는 방식으로 회전중심을 형성하여 미세 회전 이동이 가능한 장치로서, 베이스 스테이지(10)와, 상부 스테이지(20)와, 회전 구동 유닛(30)과, 메인 탄성 회전 모듈(40)을 포함하여 구성된다.
베이스 스테이지(10)는 전체 장치의 기본 지지 구조를 이루는 것으로, 평평한 플레이트 형태로 형성될 수 있다.
상부 스테이지(20)는 베이스 스테이지(10)의 상부에 배치되며 수평 방향으로 회전 이동 가능하게 장착된다. 상부 스테이지(20)의 상면에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 기판 등의 작업 대상물(1)이 고정 안착되어 상부 스테이지(20)와 함께 일체로 이동한다. 따라서, 상부 스테이지(20)를 수평 회전 이동시킴으로써, 상부 스테이지(20)에 고정 안착된 작업 대상물(1)의 수평 회전 각도를 미세 조절할 수 있다.
이때, 상부 스테이지(20)는 베이스 스테이지(10)로부터 별도의 지지 수단(22)들에 의해 수직 방향 유동이 구속된 상태로 수평 회전 이동이 지지되도록 구성되며, 지지 수단(22)들은 롤러 베어링, 마그네트 등의 가이드 구조를 통해 구성될 수 있다. 또한, 상부 스테이지(20)의 일측에는 상부 스테이지(20)의 회전 각도 등을 측정하고 동작을 제어할 수 있는 측정 제어부(21)가 장착될 수 있다.
회전 구동 유닛(30)은 베이스 스테이지(10)와 상부 스테이지(20) 사이에 배치되어 상부 스테이지(20)를 수평 방향으로 회전 이동시키도록 구성된다. 이러한 회전 구동 유닛(30)은 지렛대 원리를 이용한 작동 방식을 이용한 것으로, 작동 바디(400)와, 작동 탄성 회전 모듈(500)과, 회전 구동부(600)와, 연동 수단(700)을 포함하여 구성될 수 있는데, 이에 대한 상세한 설명은 도 5 내지 도 8을 중심으로 후술한다.
메인 탄성 회전 모듈(40)은 베이스 스테이지(10)와 상부 스테이지(20) 사이에 배치되며, 일측단부가 베이스 스테이지(10)에 결합되고 타측단부가 상부 스테이지(20)에 결합되어 중심부에 상부 스테이지(20)의 메인 회전중심(H1)이 형성되고, 메인 회전중심(H1)을 기준으로 타측단부가 상부 스테이지(20)와 함께 일체로 회전 이동하도록 탄성 변형 가능하게 형성된다.
이러한 구성에 따라 상부 스테이지(20)는 탄성 변형 특성을 갖는 메인 탄성 회전 모듈(40)에 형성된 메인 회전중심(H1)을 기준으로 회전 이동하게 되므로, 종래 기술과 달리 별도의 힌지축이나 또는 베어링 등의 회전축 구성요소가 불필요하고, 이에 따라 회전축 구성요소의 가공 및 조립 공차 또는 마찰, 마모 등에 의해 발생하는 회전 이동의 오차를 방지할 수 있어 정밀한 회전 이동을 가능하게 한다.
메인 탄성 회전 모듈(40)의 구성을 좀더 자세히 살펴보면, 메인 탄성 회전 모듈(40)은, 일측단부가 베이스 스테이지(10)에 결합되고 타측단부가 상부 스테이지(20)에 결합되는 제 1 메인 판 스프링(110)과, 일측단부가 베이스 스테이지(10)에 결합되고 타측단부가 상부 스테이지(20)에 결합되며 제 1 메인 판 스프링(110)의 하부에 위치하는 제 2 메인 판 스프링(120)을 포함하여 구성된다.
이때, 제 2 메인 판 스프링(120)은 제 1 메인 판 스프링(110)과 교차하는 방향으로 배치되는데, 제 1 및 제 2 메인 판 스프링(110,120)은 각각의 중심부에서 서로 교차하도록 배치되어 상호 교차하는 지점에 메인 회전중심(H1)이 형성되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 메인 판 스프링(110,120)은 각각 탄성력을 갖는 평판 형태로 형성되며, 각각의 중심부에서 서로 직교하는 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 메인 탄성 회전 모듈(40)은, 하단이 베이스 스테이지(10)의 상부에 고정 결합되며 측면이 제 1 및 제 2 메인 판 스프링(110,120)의 일측단부에 각각 결합되는 메인 베이스 연결 바디(210)와, 상단이 상부 스테이지(20)의 하부에 고정 결합되며 측면이 제 1 및 제 2 메인 판 스프링(110,120)의 타측단부에 각각 결합되는 메인 상부 연결 바디(220)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 메인 베이스 연결 바디(210)와 메인 상부 연결 바디(220)는 제 1 및 제 2 메인 판 스프링(110,120)의 교차 구조에 의해 분리되는 4개 영역 중 서로 대각선 영역에 각각 배치될 수 있다.
제 1 및 제 2 메인 판 스프링(110,120)은 상대적으로 얇은 평판 형태로 형성되므로, 제 1 및 제 2 메인 판 스프링(110,120)의 강도 보강 및 메인 베이스 연결 바디(210) 및 메인 상부 연결 바디(220)와의 결합력 향상을 위해 제 1 및 제 2 메인 판 스프링(110,120)은 일측단부 및 타측단부의 일면에 별도의 결합 블록(140)이 결합된 상태로 메인 베이스 연결 바디(210) 및 메인 상부 연결 바디(220)와 결합될 수 있다.
한편, 제 2 메인 판 스프링(120)의 하부에 별도의 제 3 메인 판 스프링(130)이 제 2 메인 판 스프링(120)과 직교하는 방향으로 추가 배치될 수 있으며, 마찬가지로, 제 3 메인 판 스프링(130)의 하부에 제 4 메인 판 스프링(미도시)이 제 3 메인 판 스프링(130)과 직교하는 방향으로 추가 배치될 수 있으며, 동일한 방식으로 n개의 메인 판 스프링이 추가 배치될 수 있다.
이와 같이 메인 탄성 회전 모듈(40)은 적어도 2개의 메인 판 스프링(110,120)이 서로 교차하는 방향으로 배치되므로, 교차하는 지점에 메인 회전중심(H1)이 형성되고, 상부 스테이지(20)에 수평 회전력이 작용하면, 메인 회전중심(H1)을 기준으로 복수개의 메인 판 스프링의 타측단부가 회전 이동하는 방식으로 탄성 변형하며 상부 스테이지(20)와 함께 회전 이동하게 된다(도 8 참조).
이러한 제 1 및 제 2 메인 판 스프링(110,120)은 각각 독립적으로 탄성 변형하도록 서로 접합되지 않고 별도의 객체로 배치될 수 있으며, 각각 독립적으로 탄성 변형하더라도 그 작동 구조상 상호 교차 지점에서 메인 회전중심(H1)이 형성된다.
한편, 상부 스테이지(20)가 메인 탄성 회전 모듈(40)의 메인 회전중심(H1)을 기준으로 회전하는 과정에서 상부 스테이지(20)의 회전 방향 위치 정밀도 향상을 위해 상부 스테이지(20)의 회전 이동과는 역방향의 회전력을 상부 스테이지(20)에 가할 수 있도록 도 2에 도시된 바와 같이 별도의 탄성 스프링(310)이 장착될 수 있다. 이러한 탄성 스프링(310)은 일단이 베이스 스테이지(10)에 결합되고 타단이 상부 스테이지(20)에 결합되며, 각각 베이스 스테이지(10) 및 상부 스테이지(20)에 연결된 별도의 고정 블록(320,330)을 통해 베이스 스테이지(10) 및 상부 스테이지(20)에 결합될 수 있다.
이와 같은 구성에 따라 상부 스테이지(20)는 회전 구동 유닛(30)에 의해 회전 구동되어 베이스 스테이지(10)에 대해 수평 회전 이동하게 되는데, 이때, 메인 탄성 회전 모듈(40)에 형성된 메인 회전중심(H1)을 기준으로 탄성 회전 이동하므로, 일반적인 별도의 회전축 구성요소(힌지축, 베어링 등)가 불필요하여 이에 따른 가공 및 조립 공차, 마찰, 마모 등이 발생하지 않아 회전중심을 정확하게 유지할 수 있으며, 이에 따라 정밀한 미세 회전 이동이 가능하고 이에 따른 위치 정렬 작업이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동 유닛의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동 유닛의 구성을 일부 분해하여 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동 유닛의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 회전 스테이지 장치의 작동 상태를 개략적으로 도시한 작동 상태도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동 유닛(30)은 상부 스테이지(20)를 메인 회전중심(H1)을 기준으로 수평 회전 이동시키는 구성으로, 작동 회전중심(H2)을 기준으로 수평 회전 이동하는 작동 바디(400)와, 작동 회전중심(H2)을 형성하며 작동 바디(400)와 함께 탄성 변형하며 회전하는 작동 탄성 회전 모듈(500)과, 작동 바디(400)를 수평 회전 이동시키는 회전 구동부(600)와, 작동 바디(400)의 회전에 연동하여 상부 스테이지(20)가 회전 이동하도록 작동 바디(400)와 상부 스테이지(20)를 상호 연동시키는 연동 수단(700)을 포함하여 구성된다.
작동 바디(400)는 일측 방향으로 길게 형성되며 작동 탄성 회전 모듈(500)에 형성되는 작동 회전중심(H2)을 기준으로 수평 회전 이동하도록 장착된다. 이러한 작동 바디(400)는 회전 구동부(600)의 회전 구동력을 상부 스테이지(20) 측으로 전달하는 동력 전달 수단으로 기능한다.
작동 탄성 회전 모듈(500)은 중심부에 작동 회전중심(H2)이 형성되도록 일측단부가 베이스 스테이지(10)에 결합되고 타측단부가 작동 바디(400)에 결합되며, 작동 회전중심(H2)을 기준으로 타측단부가 작동 바디(400)와 함께 일체로 회전이동하도록 탄성 변형 가능하게 형성된다.
작동 탄성 회전 모듈(500)을 좀더 구체적으로 살펴보면, 작동 탄성 회전 모듈(500)은, 일측단부가 베이스 스테이지(10)에 결합되고 타측단부가 작동 바디(400)에 결합되는 제 1 작동 판 스프링(510)과, 일측단부가 베이스 스테이지(10)에 결합되고 타측단부가 작동 바디(400)에 결합되며 제 1 작동 판 스프링(510)의 하부에 위치하는 제 2 작동 판 스프링(520)을 포함하여 구성된다.
이때, 제 2 작동 판 스프링(520)은 제 1 작동 판 스프링(510)과 교차하는 방향으로 배치되는데, 제 1 및 제 2 작동 판 스프링(510,520)은 각각의 중심부에서 서로 교차하도록 배치되어 상호 교차하는 지점에 작동 회전중심(H2)이 형성되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 작동 판 스프링(510,520)은 각각 탄성력을 갖는 평판 형태로 형성되며, 각각의 중심부에서 서로 직교하는 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 작동 탄성 회전 모듈(500)은, 하단이 베이스 스테이지(10)의 상부에 고정 결합되며 측면이 제 1 및 제 2 작동 판 스프링(510,520)의 일측단부에 각각 결합되는 작동 베이스 연결 바디(550)를 더 포함할 수 있다. 이때, 작동 바디(400)에는 제 1 및 제 2 작동 판 스프링(510,520)의 타측단부에 결합되도록 길이 방향에 대한 직각 방향으로 돌출되는 결합 돌출부(410)가 형성될 수 있다. 이 경우, 작동 베이스 연결 바디(550)와 결합 돌출부(410)는 제 1 및 제 2 작동 판 스프링(510,520)의 교차 구조에 의해 분리되는 4개 영역 중 서로 대각선 영역에 각각 배치될 수 있다.
제 1 및 제 2 작동 판 스프링(510,520)은 상대적으로 얇은 평판 형태로 형성되므로, 제 1 및 제 2 작동 판 스프링(510,520)의 강도 보강 및 작동 베이스 연결 바디(550) 및 결합 돌출부(410)와의 결합력 향상을 위해 제 1 및 제 2 작동 판 스프링(510,520)은 일측단부 및 타측단부의 일면에 별도의 결합 블록(540)이 결합된 상태로 작동 베이스 연결 바디(550) 및 결합 돌출부(410)와 결합될 수 있다.
한편, 제 2 작동 판 스프링(520)의 하부에 별도의 제 3 작동 판 스프링(530)이 제 2 작동 판 스프링(520)과 직교하는 방향으로 추가 배치될 수 있으며, 마찬가지로, 제 3 작동 판 스프링(530)의 하부에 제 4 작동 판 스프링(미도시)이 제 3 작동 판 스프링(530)과 직교하는 방향으로 추가 배치될 수 있으며, 동일한 방식으로 n개의 메인 판 스프링이 추가 배치될 수 있다.
이와 같이 작동 탄성 회전 모듈(500)은 적어도 2개의 작동 판 스프링(510,520)이 서로 교차하는 방향으로 배치되므로, 교차하는 지점에 작동 회전중심(H2)이 형성되고, 작동 바디(400)의 일측 끝단이 가압 또는 견인되면, 작동 회전중심(H2)을 기준으로 복수개의 작동 판 스프링이 탄성 변형하며 작동 바디(400)가 회전하게 된다(도 8 참조).
이러한 제 1 및 제 2 작동 판 스프링(510,520)은 각각 독립적으로 탄성 변형하도록 서로 접합되지 않고 별도의 객체로 배치될 수 있으며, 각각 독립적으로 탄성 변형하더라도 그 작동 구조상 상호 교차 지점에서 작동 회전중심(H2)이 형성된다.
이와 같이 작동 바디(400)가 작동 탄성 회전 모듈(500)의 작동 회전중심(H2)을 기준으로 회전하도록 함으로써, 작동 바디(400)의 회전 작동시 별도의 힌지축 또는 베어링과 같은 회전축 구성요소가 불필요하여 회전축 구성요소의 가공 및 조립 공차 또는 마찰, 마모 등에 의해 발생하는 회전 이동의 오차를 방지하고, 회전중심을 정확하게 유지할 수 있어 작동 바디(400)의 회전 이동을 정확하게 제어할 수 있으며, 이에 따라 상부 스테이지(20)의 회전 이동 또한 정확하게 제어할 수 있다.
한편, 작동 회전중심(H2)은 작동 바디(400)의 길이 방향 전체 구간 중 중간 구간에 위치하도록 형성되고, 연동 수단(700)은 작동 바디(400)의 일측 끝단에 결합되고, 회전 구동부(600)는 작동 바디(400)의 타측 끝단부를 가압하도록 배치되며, 작동 회전중심(H2)에서 작동 바디(400)의 길이 방향을 따라 회전 구동부(600)의 가압 지점까지의 거리(L1)가 연동 수단(700)까지의 거리(L2)보다 더 길게 형성되도록 구성된다.
이와 같이 L1을 L2보다 더 길게 형성함으로써, 지렛대 원리에 따라 회전 구동부(600)에 요구되는 입력 하중을 상대적으로 감소시킬 수 있어 효율적인 운용이 가능하며, 특히, 회전 구동부(600)의 가압 또는 견인에 의한 작동 바디(400)의 타측 끝단부 이동 거리에 비해 연동 수단(700)이 결합된 작동 바디(400)의 일측 끝단부의 이동 거리가 상대적으로 짧아 연동 수단(700)에 대한 미세 이동을 상대적으로 작게 형성할 수 있고, 이에 따라 상부 스테이지(20)의 회전 이동 또한 작게 형성할 수 있다.
즉, 회전 구동부(600)에 의한 작동 바디(400)의 타측단부의 이동 거리를 상대적으로 크게 형성하더라도, 작동 바디(400)의 일측단부의 이동 거리는 이보다 작게 형성되므로, 작동 바디(400)의 일측단부에 결합된 연동 수단(700)에 의해 연동되는 상부 스테이지(20)의 회전 이동 거리 또한 상대적으로 작게 형성할 수 있다.
따라서, 회전 구동부(600)의 작동 거리를 크게 제어하더라도 상부 스테이지(20)의 회전 이동 거리는 상대적으로 작게 유지되므로, 회전 구동부(600)에 대한 동작 제어를 단순화할 수 있을 뿐만 아니라 상부 스테이지(20)의 회전 이동 거리를 더욱 미세한 단위로 정확하게 제어할 수 있다.
회전 구동부(600)는 작동 바디(400)를 작동 회전중심(H2)을 기준으로 수평 회전 이동시키는 구성으로, 작동 바디(400)의 타측 끝단부를 가압하거나 견인할 수 있는 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동부(600)는, 전원을 공급받아 작동하는 구동 모터(610)와, 구동 모터(610)의 구동에 의해 전후 직선 이동하며 작동 바디(400)의 끝단부를 가압 또는 견인하는 가압 블록(620)을 포함하여 구성된다. 가압 블록(620)의 끝단에는 작동 바디(400)와 접촉하는 지점에 접촉 롤러(630)가 장착될 수 있으며, 가압 블록(620)은 별도의 LM 가이드(640)에 연결되어 직선 이동 경로가 가이드될 수 있다. 또한, 가압 블록(620)과 작동 바디(400)는 별도의 탄성 스프링(650)에 의해 밀착 접촉 상태가 유지되도록 구성될 수 있다.
연동 수단(700)은 작동 바디(400)의 회전 이동에 연동하여 상부 스테이지(20)가 메인 회전중심(H1)을 기준으로 회전하도록 작동 바디(400)와 상부 스테이지(20)를 연동시키는 구성으로, 작동 바디(400)의 일측 끝단에 결합되어 작동 바디(400)와 함께 작동 회전중심(H2)을 기준으로 일체로 회전하는 지지 바디(710)와, 상단이 상부 스테이지(20)에 결합되어 상부 스테이지(20)와 함께 메인 회전중심(H1)을 기준으로 일체로 회전하는 상부 고정 바디(720)와, 상부 고정 바디(720)가 지지 바디(710)에 탄성 밀착 접촉하도록 상부 고정 바디(720)에 탄성력을 가하는 탄성 스프링(730)을 포함하여 구성된다.
탄성 스프링(730)은 일단이 지지 바디(710)에 결합되고 타단은 상부 고정 바디(720)에 결합되는데, 상부 고정 바디(720)에는 별도의 결합 로드(721)가 결합되어 탄성 스프링(730)의 타단에 결합된다. 결합 로드(721)와 탄성 스프링(730)은 결합 고리가 서로 걸림 상태로 맞물림되어 자유 회전 가능한 상태로 결합된다. 지지 바디(710)에는 탄성력에 의해 밀착 접촉하는 상부 고정 바디(720)와 롤링 접촉 상태를 유지할 수 있도록 접촉 롤러(740)가 결합된다.
이러한 구성에 따라 연동 수단(700)의 지지 바디(710)는 작동 바디(400)에 결합되어 일체로 회전하므로, 작동 탄성 회전 모듈(500)의 작동 회전중심(H2)을 기준으로 회전하고, 상부 고정 바디(720)는 상부 스테이지(20)에 결합되어 일체로 회전하므로, 메인 탄성 회전 모듈(40)의 메인 회전중심(H1)을 기준으로 회전한다. 따라서, 작동 바디(400)가 회전 구동부(600)에 의해 작동 회전중심(H2)을 기준으로 회전하면, 지지 바디(710)가 일체로 회전하고, 이에 따라 지지 바디(710)에 결합된 탄성 스프링(730)의 탄성력이 작용하여 상부 고정 바디(720)를 견인하게 되며, 상부 고정 바디(720)는 작동 회전중심(H2)이 아닌 메인 회전중심(H1)을 기준으로 상부 스테이지(20)와 함께 회전하게 된다.
즉, 도 8의 (a) 상태에서 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 회전 구동부(600)가 작동 바디(400)의 끝단부를 가압하면, 작동 바디(400)는 작동 회전중심(H2)을 기준으로 θ1만큼 회전하고, 이에 따라 연동 수단(700)의 지지 바디(710) 또한 동일하게 회전한다. 이 과정에서, 탄성 스프링(730)의 탄성력이 작용하여 연동 수단(700)의 상부 고정 바디(720)를 동일한 회전 방향으로 회전시키게 되는데, 이때, 상부 고정 바디(720)는 상부 스테이지(20)와 함께 회전하므로, 메인 회전중심(H1)을 기준으로 θ2만큼 회전하게 된다. 이러한 작동 과정을 통해 최종적으로 상부 스테이지(20)는 메인 회전중심(H1)을 기준으로 θ2만큼 회전하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 베이스 스테이지
20: 상부 스테이지
30: 회전 구동 유닛
40: 메인 탄성 회전 모듈
110, 120, 130: 제 1, 제 2 및 제 3 메인 판 스프링
140: 결합 블록
210: 메인 베이스 연결 바디
220: 메인 상부 연결 바디
400: 지지 바디 410: 결합 돌출부
500: 작동 탄성 회전 모듈
510, 520, 530: 제 1, 제 2 및 제 3 작동 판 스프링
540: 결합 블록
550: 작동 베이스 연결 바디
600: 회전 구동부
700: 연동 수단
710: 지지 바디 720: 상부 고정 바디
730: 탄성 스프링 740: 접촉 롤러

Claims (8)

  1. 베이스 스테이지;
    상기 베이스 스테이지의 상부에 수평 방향으로 회전 이동 가능하게 배치되는 상부 스테이지;
    상기 상부 스테이지를 수평 방향으로 회전 이동시키는 회전 구동 유닛; 및
    상기 베이스 스테이지와 상부 스테이지 사이에 배치되며, 중심부에 상기 상부 스테이지의 메인 회전중심이 형성되도록 일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 상부 스테이지에 결합되며, 상기 메인 회전중심을 기준으로 타측단부가 상기 상부 스테이지와 함께 일체로 회전 이동하도록 탄성 변형 가능하게 형성되는 메인 탄성 회전 모듈
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 회전 스테이지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 탄성 회전 모듈은
    일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 상부 스테이지에 결합되는 제 1 메인 판 스프링; 및
    일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 상부 스테이지에 결합되며, 상기 제 1 메인 판 스프링의 하부에 위치하며 상기 제 1 메인 판 스프링과 교차하는 방향으로 배치되는 제 2 메인 판 스프링
    을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 메인 판 스프링은 각각의 중심부에서 서로 교차하도록 배치되어 상호 교차하는 지점에 상기 메인 회전중심이 형성되는 것을 특징으로 하는 정밀 회전 스테이지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 탄성 회전 모듈은
    하단이 상기 베이스 스테이지의 상부에 고정 결합되며 측면이 상기 제 1 및 제 2 메인 판 스프링의 일측단부에 각각 결합되는 메인 베이스 연결 바디; 및
    상단이 상기 상부 스테이지의 하부에 고정 결합되며 측면이 상기 제 1 및 제 2 메인 판 스프링의 타측단부에 각각 결합되는 메인 상부 연결 바디
    를 더 포함하고, 상기 메인 베이스 연결 바디와 메인 상부 연결 바디는 상기 제 1 및 제 2 메인 판 스프링의 교차 구조에 의해 분리되는 4개 영역 중 서로 대각선 영역에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 정밀 회전 스테이지 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 구동 유닛은
    일측 방향으로 길게 형성되며 작동 회전중심을 기준으로 수평 회전 이동하도록 장착되는 작동 바디;
    중심부에 상기 작동 회전중심이 형성되도록 일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 작동 바디에 결합되며, 상기 작동 회전중심을 기준으로 타측단부가 상기 작동 바디와 함께 일체로 회전이동하도록 탄성 변형 가능하게 형성되는 작동 탄성 회전 모듈;
    상기 작동 바디를 상기 작동 회전중심을 기준으로 수평 회전 이동시키는 회전 구동부; 및
    상기 작동 바디의 회전 이동에 연동하여 상기 상부 스테이지가 상기 메인 회전중심을 기준으로 회전하도록 상기 작동 바디와 상기 상부 스테이지를 연동시키는 연동 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 회전 스테이지 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 작동 탄성 회전 모듈은
    일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 작동 바디에 결합되는 제 1 작동 판 스프링; 및
    일측단부가 상기 베이스 스테이지에 결합되고 타측단부가 상기 작동 바디에 결합되며, 상기 제 1 작동 판 스프링의 하부에 위치하며 상기 제 1 작동 판 스프링과 교차하는 방향으로 배치되는 제 2 작동 판 스프링
    을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 작동 판 스프링은 각각의 중심부에서 서로 교차하도록 배치되어 상호 교차하는 지점에 상기 작동 회전중심이 형성되는 것을 특징으로 하는 정밀 회전 스테이지 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 작동 탄성 회전 모듈은
    하단이 상기 베이스 스테이지의 상부에 고정 결합되며 측면이 상기 제 1 및 제 2 작동 판 스프링의 일측단부에 각각 결합되는 작동 베이스 연결 바디를 더 포함하고,
    상기 작동 바디에는 상기 제 1 및 제 2 작동 판 스프링의 타측단부에 결합되도록 길이 방향에 대한 직각 방향으로 돌출되는 결합 돌출부가 형성되며,
    상기 작동 베이스 연결 바디와 상기 결합 돌출부가 상기 제 1 및 제 2 작동 판 스프링의 교차 구조에 의해 분리되는 4개 영역 중 서로 대각선 영역에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 정밀 회전 스테이지 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 작동 회전중심은 상기 작동 바디의 길이 방향 전체 구간 중 중간 구간에 위치하도록 형성되고,
    상기 연동 수단은 상기 작동 바디의 일측 끝단에 결합되고,
    상기 회전 구동부는 상기 작동 바디의 타측 끝단부를 가압하도록 배치되며,
    상기 작동 회전중심에서 상기 작동 바디의 길이 방향을 따라 상기 회전 구동부의 가압 지점까지의 거리(L1)가 상기 연동 수단까지의 거리(L2)보다 더 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 정밀 회전 스테이지 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 연동 수단은
    상기 작동 바디의 일측 끝단에 결합되어 상기 작동 바디와 함께 상기 작동 회전중심을 기준으로 일체로 회전하는 지지 바디;
    상단이 상기 상부 스테이지에 결합되어 상기 상부 스테이지와 함께 상기 메인 회전중심을 기준으로 일체로 회전하는 상부 고정 바디; 및
    상기 상부 고정 바디가 상기 지지 바디에 탄성 밀착 접촉하도록 상기 상부 고정 바디에 탄성력을 가하는 탄성 스프링
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 회전 스테이지 장치.

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