説明

平面3自由度ステージ

本発明は、平面3自由度ステージに関するもので、並進2自由度を有する並進運動機構部と、並進運動機構部と独立的に運動する回転1自由度を有する回転運動機構部と、並進運動機構部と回転運動機構部が設置され、内側の固定部及び外側の駆動部を備えるステージベースを含むことを特徴とし、これによると、並進運動と回転運動が独立的に行われるので、運動誤差を減少させることができ、制御及び設計を容易にすることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超精密ステージに関するもので、より詳細には、並進運動機構部と、独立的に運動する回転運動機構部とを備える平面3自由度ステージに関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般に、圧電駆動機と柔軟ヒンジで具現される超精密ステージは、走査探針顕微鏡、石版印刷機、マイクロ整列機、精密加工機、マイクロ組立機、ナノ測定器、分光器、平板ディスプレイ及び半導体検査装備などの多様な分野で活用されている。
【0003】
特に、圧電駆動機と柔軟ヒンジで構成された位置決定機構の場合、移送精密性、設計及び加工の容易性を有することから多くの開発が先行しており、その一つとしては、並進2自由度と回転1自由度の運動をする位置決定機構があり、これについては、ロボティクス分野の発展と共に多くの研究が行われている実情にある。
【0004】
前記のような技術構成は、本発明の理解を促進するための背景技術であって、本発明の属する技術分野で広く知られた従来技術を意味するものではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来の並進2自由度と回転1自由度の運動をするステージは、並列構造からなる。したがって、従来のステージによると、並進運動の駆動機と回転運動の駆動機が互いに連結されており、前記運動を案内する案内機構なども互いに連結されているので、並進運動又は回転運動のうちいずれか一つの運動のみを意図する場合にも、意図していない他の運動も同時に行うようになり、運動誤差が発生する。このような運動誤差を制御するためには、追加的な制御メカニズムが必要になるが、この場合、構造がより複雑になり、精密度がより低下するという問題がある。
【0006】
したがって、これを改善する必要性が要請される。
【0007】
本発明は、前記のような問題を改善するためになされたもので、構造を単純化しながら精密度を向上できる平面3自由度ステージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係る平面3自由度ステージは、並進2自由度を有する並進運動機構部;前記並進運動機構部と独立的に運動する回転1自由度を有する回転運動機構部;及び前記並進運動機構部と前記回転運動機構部が設置され、内側の固定部及び外側の駆動部を備えるステージベースを含む。
【0009】
望ましくは、前記並進運動機構部は、前記固定部と前記駆動部との間に配置され、一側は前記固定部と連結され、他側は前記駆動部と連結されるシンバル機構部を含み、前記回転運動機構部は、前記固定部に配置されるスコット―ラッセルリンク部を含む。
【0010】
より望ましくは、前記シンバル機構部は、前記ステージベース上に左右対称に複数設置される。
【0011】
より望ましくは、前記シンバル機構部は、前記ステージベースの上部と下部に配置される一対の第1のシンバル機構組;及び前記ステージベースの両側部に配置される一対の第2のシンバル機構組を含む。
【0012】
より望ましくは、前記第1のシンバル機構組と前記第2のシンバル機構組は、互いに直交するように配置され、前記第1のシンバル機構組に変位が発生する場合、前記第2のシンバル機構組は、前記第1のシンバル機構組による駆動部の並進運動を案内する。
【0013】
より望ましくは、前記シンバル機構部は、前記固定部と連結される内側端部;前記内側端部の向かい側に配置され、前記駆動部と連結される外側端部;前記駆動部と固定部との間に配置される一側端部;前記一側端部の向かい側に配置される他側端部;前記一側端部と前記外側端部とを連結する第1の柔軟ヒンジリンク;前記外側端部と前記他側端部とを連結する第2の柔軟ヒンジリンク;前記他側端部と前記内側端部とを連結する第3の柔軟ヒンジリンク;及び前記内側端部と前記一側端部とを連結する第4の柔軟ヒンジリンクを含み、前記一側端部と前記他側端部との間には、前記一側端部と前記他側端部との間の距離を可変させる第1の作動部材が介在する。
【0014】
より望ましくは、スコット―ラッセルリンク部は、一側が前記固定部に結合される第2の作動部材の他側と結合される第1のリンク;一側が前記第1のリンクと連結され、他側が前記固定部と連結され、前記第1のリンクの移動によって回転しながら前記固定部を回転させる第2のリンク;及び一側が前記第2のリンクと連結され、他側が前記固定部と連結される第3のリンクを含む。
【0015】
より望ましくは、前記回転運動機構部は、前記スコット―ラッセルリンク部の外側に配置されて前記固定部の回転をガイドする板バネをさらに含む。
【0016】
より望ましくは、前記板バネは、前記固定部の中心を基準にして同一の回転間隔で複数配列される。
【0017】
望ましくは、前記並進運動機構部と前記回転運動機構部は、前記ステージベースの同一平面上に設置される。
【発明の効果】
【0018】
本発明に係る平面3自由度ステージによると、並進運動と回転運動が独立的に行われるので、運動誤差を減少できるとともに、制御及び設計を容易にすることができる。
【0019】
また、本発明に係る平面3自由度ステージによると、並進運動機構部と回転運動機構部が同一平面上に配列されるので、構造を単純化できるとともに、運動中心を低くすることができ、慣性モーメントに対する対応力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの斜視図である。
【図2】本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの平面図である。
【図3】本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの並進運動機構部を示した平面図である。
【図4】本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの回転運動機構部を示した平面図である。
【図5】本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージのシンバル機構部を示した図である。
【図6】本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの並進運動が行われる状態を示した図である。
【図7】本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの回転運動が行われる状態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、添付の各図面を参照して本発明に係る平面3自由度ステージの一実施例を説明する。この過程で、図面に示した各線の太さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性と便宜上、誇張して示すことがある。
【0022】
また、後述する各用語は、本発明での機能を考慮して定義された用語であって、これは、ユーザー、運用者の意図又は慣例によって変わり得る。したがって、これら各用語は、本明細書全般にわたった内容に基づいて定義しなければならない。
【0023】
図1は、本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの斜視図で、図2は、本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの平面図である。図3は、本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの並進運動機構部を示した平面図で、図4は、本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの回転運動機構部を示した平面図で、図5は、本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージのシンバル機構部を示した図である。図6は、本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの並進運動が行われる状態を示した図で、図7は、本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの回転運動が行われる状態を示した図である。
【0024】
図1〜図7を参照すると、本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージ1は、並進運動機構部100、回転運動機構部200、及びステージベース300を含んで構成される。
【0025】
ステージベース300は、固定部310及び駆動部320を備えている。固定部310には回転運動機構部200が設置され、固定部310と駆動部320との間には並進運動機構部100が配置される。
【0026】
固定部310はステージベース300の内側に形成され、駆動部320はステージベース300の外側に形成される。固定部310と駆動部320との間にはシンバル機構部110が介在し、このシンバル機構部110は固定部310と駆動部320を区画する。
【0027】
固定部310は、シンバル機構部110によって取り囲まれており、並進運動機構部100の作動時に並進運動を行わずに固定状態を維持する。また、固定部310は、回転運動機構部200の作動時、一部分は時計方向又は反時計方向に回転運動をするが、残りの部分は回転せずに固定状態を維持する。すなわち、固定部310の外郭部310aは、回転運動機構部200の作動時、後述するスコット―ラッセルリンク部210によって回転するが、固定部310の内側部310bは、後述する板バネ220によって回転せずに固定状態を維持するようになる。
【0028】
駆動部320は、シンバル機構部110の外側に配置され、並進運動機構部100の作動時に一軸又は前記一軸と直交する他軸に沿って並進運動をする。また、駆動部320は、回転運動機構部200の作動時に時計方向又は反時計方向に回転運動をする。
【0029】
並進運動機構部100は並進2自由度を有する。すなわち、並進運動機構部100は、一軸とこれと直交する他軸の2方向に並進運動をする。このような並進運動機構部100は、回転運動機構部200と機構学的に分離されているので、並進運動機構部100の作動が回転運動機構部200の作動に影響を及ぼさなくなる。
【0030】
これと同様に、回転運動機構部200の作動も並進運動機構部100の作動に影響を及ぼさないことは当然である。このように並進運動機構部100と回転運動機構部200が互いの運動に影響を及ぼさずに独立的に運動するので、意図していない運動の実行による誤差を未然に遮断できるようになる。
【0031】
並進運動機構部100は、シンバル機構部110を含んで構成される。
【0032】
シンバル機構部110は、固定部310と駆動部320との間に配置される。シンバル機構部110の一側は固定部310と柔軟ヒンジ(flexural hinge)によって連結され、他側は駆動部320と柔軟ヒンジによって連結される。一方、柔軟ヒンジの構造は、当業者間で自明な事項と言えるので、これについての具体的な説明は省略する。
【0033】
シンバル機構部110は、ステージベース300上に左右対称に複数設置される。本実施例で、シンバル機構部110は、図2を基準にして上部、下部、左側部及び右側部に合計4個が左右対称に設置されているが、これに限定されることはなく、それ以上又はその以下の個数で左右対称に設置されてもよいことは当然である。
【0034】
以下では、ステージベース300の中心に90度の回転間隔で4個配置されるシンバル機構部110を例に挙げて説明する。
【0035】
シンバル機構部110は、ステージベース300の上部と下部に配置される一対の第1のシンバル機構組120と、ステージベース300の左側部と右側部に配置される一対の第2のシンバル機構組130とを含む。
【0036】
このような第1のシンバル機構組120と第2のシンバル機構組130は互いに直交するように配置される。したがって、第1のシンバル機構組120のうちいずれか一つで変位が発生する場合、第1のシンバル機構組120による駆動部320の移動方向に対して水平に配置される第2のシンバル機構組130は、駆動部320が揺れずに移動するように駆動部320の並進運動を案内する。
【0037】
すなわち、第1のシンバル機構組120のうち上部に配置される第1のシンバル機構111の作動によって駆動部320が下方に移動する場合、左側部と右側部に配置される第2のシンバル機構組130は、駆動部320が下方に揺れずに移動するように駆動部320を案内する。
【0038】
これと同様に、第2のシンバル機構組130のうちいずれか一つで変位が発生する場合、第2のシンバル機構組130による駆動部320の移動方向に対して水平に配置される第1のシンバル機構組120は、駆動部320の左右移動が揺れずに行われるように駆動部320の左右並進運動を案内する。
【0039】
その結果、本発明によると、シンバル機構部110は、変位の増幅を達成できるとともに、駆動部320の並進運動時にこれを案内する役割も行えるようになる。
【0040】
一方、上述したように、並進運動機構部100の運動時、並進運動機構部100と機構学的に分離されている回転運動機構部200は駆動部320の回転を発生させない。
【0041】
シンバル機構部110をなす一つのシンバル機構111は、内側端部141、外側端部142、一側端部143、他側端部144、第1の柔軟ヒンジリンク151、第2の柔軟ヒンジリンク152、第3の柔軟ヒンジリンク153及び第4の柔軟ヒンジリンク154を含んで構成される。
【0042】
内側端部141は、固定部310と柔軟ヒンジによって連結されるように内側に配置され、外側端部142は、内側端部141の向かい側に配置され、駆動部320と柔軟ヒンジによって連結される。
【0043】
シンバル機構部110の作動による駆動部320の並進運動は、内側端部141が固定部310によって固定された状態で外側端部142が、発生した変位によって移動しながら行われる。
【0044】
一側端部143は、固定部310と駆動部320との間に配置され、第1の作動部材410の一端部と結合される。ここで、第1の作動部材410としては圧電駆動機が適用される。このような圧電駆動機は、圧電駆動機の両側に圧力を加えると、圧力に比例する正負の電荷が表れる圧電現象を逆に利用したものである。具体的に、圧電駆動機の両端に電圧を加えると、圧電駆動機が変形するが、このとき、一方向には伸張が起こり、その方向に対して垂直な方向には収縮が起こるようになる。このような現象に基づいて、超精密運動を生成するステージには、圧電駆動機を駆動源として使用する。
【0045】
他側端部144は、固定部310と駆動部320との間に配置され、第1の作動部材410の他端部と結合される。このような他側端部144は一側端部143の向かい側に位置する。
【0046】
一側端部143と他側端部144との間には第1の作動部材410が介在する。第1の作動部材410は、圧入などの多様な結合方法で一側端部143と他側端部144との間に介在し得る。
【0047】
上述した内側端部141、外側端部142、一側端部143及び他側端部144は、隣接した構成が柔軟ヒンジリンクによって互いに連結される。具体的に、第1の柔軟ヒンジリンク151は一側端部143と外側端部142とを連結し、第2の柔軟ヒンジリンク152は外側端部142と他側端部144とを連結し、第3の柔軟ヒンジリンク153は他側端部144と内側端部141とを連結し、第4の柔軟ヒンジリンク154は内側端部141と一側端部143とを連結する。
【0048】
このように内側端部141、外側端部142、一側端部143、他側端部144、及びこれらを互いに連結する柔軟ヒンジリンクからなるシンバル機構111は、第1の作動部材410の作動によって一側端部143と他側端部144との間の距離が遠くなると、逆に内側端部141と外側端部142との間の距離は近くなる。
【0049】
このとき、内側端部141が固定部310に連結されて固定されているので、内側端部141と外側端部142の相互近接は、外側端部142の移動によって主導的に行われるようになる。
【0050】
このように、外側端部142が移動すると、外側端部142と柔軟ヒンジで連結されている駆動部320も移動するので、結局、第1の作動部材410が作動すると、駆動部320は、外側端部142が内側端部141に向かう方向に並進運動をするようになる。
【0051】
回転運動機構部200は、並進運動機構部100と独立的に運動を行い、回転1自由度を有する。このような回転運動機構部200は、スコット―ラッセルリンク部210を含んで構成される。
【0052】
スコット―ラッセルリンク部210は、第1のリンク211、第2のリンク212及び第3のリンク213を備えており、固定部310の内側部310bに設置される。このようなスコット―ラッセルリンク部210は、各構成の作動によってスコット―ラッセル機構(Scott―Russell Mechanism)をなす。
【0053】
第1のリンク211は、一端が固定部310に結合される第2の作動部材420の他端と結合される。ここで、第2の作動部材420としては、第1の作動部材410と同様に圧電駆動機が適用される。
【0054】
第2のリンク212は、一側が第1のリンク211と柔軟ヒンジで連結され、他側が固定部310の外郭部310aと柔軟ヒンジで連結される。これによって、第2の作動部材420の作動によって第1のリンク211が第2のリンク212側に移動する場合、第2のリンク212は、第2のリンク212と第3のリンク213の連結部位を基準にして時計方向に回転するようになる。
【0055】
第2のリンク212が時計方向に回転すると、第2のリンク212と柔軟ヒンジによって連結されている固定部310の外郭部310aも時計方向に回転するようになる。
【0056】
第3のリンク213は、一側が第2のリンク212と柔軟ヒンジで連結され、他側が固定部310の内側部310bと柔軟ヒンジで連結される。したがって、第2のリンク212が時計方向に回転するとき、第3のリンク213は、第2のリンク212と第3のリンク213の連結部位を基準にして相対的に反時計方向に回転するようになる。
【0057】
回転運動機構部200は板バネ220をさらに含む。板バネ220は、スコット―ラッセルリンク部210の外側に配置されるように固定部310上に設置され、第2の作動部材420の作動による固定部310の回転をガイドする。
【0058】
具体的に、板バネ220は、固定部310の中心を基準にして同一の回転間隔で複数配列され、固定部310の外郭部310aが回転するとき、固定部310の内側部310bが回転せずに固定状態を維持できるようにする。これによって、固定部310の内側部310bは、固定部310の外郭部310a及び駆動部320の回転をガイドするようになる。
【0059】
一方、本実施例で、板バネ220は、固定部310の中心を基準にして90度の回転間隔で4個設置されているが、これに限定されることはなく、180度の回転間隔で2個、120度の回転間隔で3個などにも設置可能であることは当然である。
【0060】
上述したように、並進運動機構部100と回転運動機構部200は、ステージベース300の同一平面上に設置されるので、運動中心を低くすることができ、慣性モーメントに対する対抗力を向上できるようになる。
【0061】
以下、図面を参照して本発明の一実施例に係る平面3自由度ステージの作動原理を説明する。
【0062】
まず、平面3自由度ステージ1の並進運動について説明する。
【0063】
第1のシンバル機構組120の上部シンバル機構111に設置される第1の作動部材410に電圧が加えられると、第1の作動部材410は、両側方向に伸張し、第1の作動部材410と結合されている一側端部143と他側端部144を加圧するようになる。その結果、一側端部143は左側に移動し、他側端部144は右側に移動しながら、一側端部143と他側端部144との間の距離が遠くなる。
【0064】
これによって、一側端部143及び他側端部144と柔軟ヒンジリンクで連結されている内側端部141と外側端部142との間の距離が近くなるが、内側端部141が固定部310に固定されているので、内側端部141と外側端部142の相互近接は、外側端部142の移動によって主導的に行われるようになる。
【0065】
外側端部142が移動すると、外側端部142と柔軟ヒンジで連結されている駆動部320は、外側端部142が内側端部141に向かって移動する距離だけ移動するようになる。このような駆動部320の移動は、駆動部320の移動方向に対して水平に配置される第2のシンバル機構組130によって案内されるので、駆動部320の並進運動は揺れずに行われるようになる。
【0066】
次に、平面3自由度ステージ1の回転運動について説明する。
【0067】
回転運動機構部200に設置される第2の作動部材420に電圧が加えられると、第2の作動部材420は両側方向に伸張する。このとき、第2の作動部材420の一端が固定部310に固定結合されているので、第2の作動部材420は他端方向のみに伸張するようになる。このような第2の作動部材420の伸張により、第1のリンク211は、第2のリンク212の方向に移動しながら第2のリンク212を加圧するようになる。
【0068】
その結果、第2のリンク212は、第2のリンク212と第3のリンク213の連結部位を基準にして時計方向に回転するようになり、第2のリンク212と柔軟ヒンジによって連結されている固定部310の外郭部310aも時計方向に回転するようになる。このとき、スコット―ラッセルリンク部210の外側に外郭部310aの回転をガイドする板バネ220が配列されているので、固定部310の内側部310bは、外郭部310aの回転をガイドしながら固定状態を維持するようになる。
【0069】
このように、スコット―ラッセルリンク部210及び板バネ220によって内側部310bが固定状態を維持し、外郭部310aは時計方向に回転するようになるので、結局、外郭部310aと連結されている駆動部320が時計方向に回転運動を行えるようになる。
【0070】
本発明は、図面に示した一実施例を参考にして説明したが、これは例示的なものに過ぎなく、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解できるだろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、下記の特許請求の範囲によって定めなければならない。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
並進2自由度を有する並進運動機構部;
前記並進運動機構部と独立的に運動する回転1自由度を有する回転運動機構部;及び
前記並進運動機構部と前記回転運動機構部が設置され、内側の固定部及び外側の駆動部を備えるステージベースを含むことを特徴とする平面3自由度ステージ。
【請求項2】
前記並進運動機構部は、前記固定部と前記駆動部との間に配置され、一側は前記固定部と連結され、他側は前記駆動部と連結されるシンバル機構部を含み、
前記回転運動機構部は、前記固定部に配置されるスコット―ラッセルリンク部を含むことを特徴とする、請求項1に記載の平面3自由度ステージ。
【請求項3】
前記シンバル機構部は、前記ステージベース上に左右対称に複数設置されることを特徴とする、請求項2に記載の平面3自由度ステージ。
【請求項4】
前記シンバル機構部は、前記ステージベースの上部と下部に配置される一対の第1のシンバル機構組;及び
前記ステージベースの両側部に配置される一対の第2のシンバル機構組を含むことを特徴とする、請求項3に記載の平面3自由度ステージ。
【請求項5】
前記第1のシンバル機構組と前記第2のシンバル機構組は、互いに直交するように配置され、
前記第1のシンバル機構組に変位が発生する場合、前記第2のシンバル機構組は、前記第1のシンバル機構組による駆動部の並進運動を案内することを特徴とする、請求項4に記載の平面3自由度ステージ。
【請求項6】
前記シンバル機構部は、
前記固定部と連結される内側端部;
前記内側端部の向かい側に配置され、前記駆動部と連結される外側端部;
前記駆動部と固定部との間に配置される一側端部;
前記一側端部の向かい側に配置される他側端部;
前記一側端部と前記外側端部とを連結する第1の柔軟ヒンジリンク;
前記外側端部と前記他側端部とを連結する第2の柔軟ヒンジリンク;
前記他側端部と前記内側端部とを連結する第3の柔軟ヒンジリンク;及び
前記内側端部と前記一側端部とを連結する第4の柔軟ヒンジリンクを含み、
前記一側端部と前記他側端部との間には、前記一側端部と前記他側端部との間の距離を可変させる第1の作動部材が介在することを特徴とする、請求項5に記載の平面3自由度ステージ。
【請求項7】
前記スコット―ラッセルリンク部は、一側が前記固定部に結合される第2の作動部材の他側と結合される第1のリンク;
一側が前記第1のリンクと連結され、他側が前記固定部と連結され、前記第1のリンクの移動によって回転しながら前記固定部を回転させる第2のリンク;及び
一側が前記第2のリンクと連結され、他側が前記固定部と連結される第3のリンクを含むことを特徴とする、請求項2に記載の平面3自由度ステージ。
【請求項8】
前記回転運動機構部は、前記スコット―ラッセルリンク部の外側に配置されて前記固定部の回転をガイドする板バネをさらに含むことを特徴とする、請求項7に記載の平面3自由度ステージ。
【請求項9】
前記板バネは、前記固定部の中心を基準にして同一の回転間隔で複数配列されることを特徴とする、請求項8に記載の平面3自由度ステージ。
【請求項10】
前記並進運動機構部と前記回転運動機構部は前記ステージベースの同一平面上に設置されることを特徴とする、請求項1に記載の平面3自由度ステージ。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公表番号】特表2012−527033(P2012−527033A)
【公表日】平成24年11月1日(2012.11.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−510734(P2012−510734)
【出願日】平成22年3月30日(2010.3.30)
【国際出願番号】PCT/KR2010/001951
【国際公開番号】WO2011/093553
【国際公開日】平成23年8月4日(2011.8.4)
【出願人】(509005937)アジュ ユニバーシティ インダストリー−アカデミック コーポレーション ファウンデーション (6)
【Fターム(参考)】