KR100935956B1

KR100935956B1 - 고해상도 측정장치를 위한 굴곡 조립체

Info

Publication number: KR100935956B1
Application number: KR1020027003674A
Authority: KR
Inventors: 제이슨피. 클리브랜드; 데이빗 그릭
Original assignee: 비코 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 2000-09-19
Publication date: 2010-01-08
Also published as: AU7983800A; US6410907B2; US20020153480A1; KR20020077332A; US7002138B2; US20060097142A1; US6720551B2; US20010013575A1; WO2001022433A8; US6246052B1; WO2001022433A1; US7501615B2; JP2003510582A; US20040201327A1; TW496074B

Abstract

굴곡 캐리지 조립체(24)는 경질 재료로 형성된 캐리지(25)를 포함한다. 캐리지는 서로 이격되고 평행하게 배열된 4개의 연장 칼럼(elongate columns)(32A-D)을 포함한다. 각 칼럼은 제1 및 제2 단부를 갖는다. 캐리지(25)는 인접한 칼럼쌍 사이에 배치되며 제1 단부를 연결시키도록 배치된 4개의 제1 크로스 부재를 갖는다. 또한 캐리지는 인접한 칼럼쌍 사이에 배치되며 하부 단부를 연결시키도록 배치된 4개의 제2 크로스 부재(38A-D)를 갖는다. 연장 칼럼(elongate columns)과 제1 및 제2 크로스 부재는 3차원 직사각형 구조를 형성한다. 캐리지는 또한 4개의 칼럼과 칼럼의 제1 및 제2 단부사이에 등거리로 이격된 병진섹션 사이의 중앙에 배치된다. 병진 요소와 칼럼사이에, 칼럼과 제1 및 제2 크로스 부재 사이에 복수의 굴곡부(50)가 배치되어서 병진섹션의 모서리에 대해 적용된 힘에 따라 평면에서 병진섹션(20)의 정학한 이동을 허용한다. 한 쌍의 압전 요소(26)가 병진섹션에 연결된다. 하나는 제1 직선경로에서 힘을 병진섹션에 적용하고 다른 하나는 제2 직선경로에서 힘을 병진섹션에 적용한다.

Description

고해상도 측정장치를 위한 굴곡 조립체{FLEXURE ASSEMBLY FOR A SCANNER}

본 발명은 고 해상도 측정장치, 특히 마이크로 스캐닝 장치의 굴곡 조립체에 관한 것이다.

굴곡 캐리지 및 장치는 당해 분야에서 공지이며 스캐닝 프로브 마이크로스코프와 같은 고 해상도 기기 및 측정 시설용으로 사용된다. 이러한 굴곡 장치는 위에 프로브나 센서, 또는 분석될 표본이 놓여져 이동한다. 표본의 표면이나 표면 아래의 특성을 측정하기 위해서 표본이나 프로브는 한 평면에서 서로에 대해 작은 증분으로 움직인다. 이들 장치는 대체로 X-Y평면에서 높은 정밀도로 움직이며 X-Y평면에 수직인 Z방향으로는 극히 적게 움직이도록 설계된다. 감지 프로브는 표면결함, 표본 성분의 변화, 표면 윤곽이나 표면 또는 표면 아래의 특성을 측정한다. 이러한 장치는 컴퓨터 마이크로칩의 성질, 컴퓨터 디스크 표면, 및 기타 물성이나 화학적 성질을 영상화 및 측정하는 것과 같은 다른 응용을 위해 설계 및 활용될 수 있다. 이러한 장치의 측정 범위는 1옹스트롬(Å) 내지 수 백 마이크론(μ)이다.

이러한 형태의 고 해상도 측정을 위해서 장치는 X-Y평면 내에서 정밀하고 미세한 마이크로 위치선정을 필요로 하며 이 평면에 수직인 Z방향으로 이동을 허용하지 않는 것이 이상적이다. 이러한 장치의 감지 프로브나 표본을 이송하는 굴곡 장치나 캐리지가 이러한 이동을 제공하도록 설계 및 활용된다.

공지 굴곡 캐리지 구성은 굴곡 장치 부위를 마이크로 위치선정 하기 위해서 적용된 전위를 활용하는 압전 액추에이터를 사용한다. 공지 장치는 단지 매우 작은 상대적 영역 위에서 X-Y평면에서 매우 평평한 이동을 제공할 수 있다. 이동 범위가 클수록 평면 밖의 이동이 더욱 커진다(즉, 이동은 점점 곡선이동이 된다). 이것은 장치에서 압전 소자의 구성 및 배열 때문이다. 압전 소자는 종축으로부터 부분적으로 구부러지므로 에러를 유도하는 축을 벗어난 힘을 적용한다. 축을 벗어난 힘과 결과의 에러는 압전 소자의 팽창을 증가시킨다.

US 5,360,974(International Business Machines Corporation of Armonk, New York)에 발표된 장치는 각 프레임이 신축성 다리에 의해서 반대 방향으로 지지되는 이중 프레임 배열을 활용하여 X-Y방향이나 평면에서 꽤 평평한 이동을 제공한다. 한 장치 프레임의 평면에 수직인 Z방향 이동은 다른 프레임의 이동에 의해서 상쇄되어서 매우 평평한 이동이 유지된다. 그러나 발표된 장치는 장치에 의해서 발생된 회전이나 편주를 제거 또는 감소시키기 위해서 이동 평면에 평행하게 배향된 연장된 외부 압전 소자를 활용한다. 이러한 장치는 어떤 분야에서는 너무 크다.

이러한 미세 마이크로-위치 선정 및 감지 기술을 사용하는 적용분야는 점점 더 높은 해상도 측정을 요구한다. 예컨대 컴퓨터 기술은 마이크로칩 및 회로의 전자소자 패키지 밀도를 증가시키고 크기를 감소시키고자 한다. 한편 이들을 제조하는 웨이퍼의 크기 역시 증가한다. 그러므로 큰 범위의 X-Y평면 이동이 가능하며 평면에 수직인 Z방향 이동은 방지하며 더 적고 덜 비싸고 더욱 정확한 시설에서 활용될 수 있도록 크기가 더욱 작은 굴곡 장치를 제공할 필요가 있다. 더 작은 크기의 측정에 대해서 기술되고 있지만 나노-리소그래피 및 마이크로-기계가공과 같은 작업도 이러한 정확도로 수행될 수 있다. 따라서 측정뿐만 아니라 제조도 기술된다.

발명의 요약

본 발명은 고 해상도 측정 및 제조 장치와 기기에 유용한 개선된 평평한 이동을 제공하는 굴곡 캐리지 및 조립체에 관계한다. 본 발명의 굴곡 캐리지는 X-Y방향이나 평면에서 꽤 평평한 이동을 제공하며 X-Y평면에 수직인 Z방향 이동은 방지한다. 추가로 본 발명의 굴곡 캐리지는 이러한 평평한 이동을 제공하면서 큰 범위로 X 및 Y방향 이동을 할 수 있다. 본 발명의 굴곡 캐리지는 이러한 장점을 가져오면서 X 및 Y방향으로 평평한 이동 평면을 생성 하는데 매우 작고 강체 패키지로 구축될 수 있다.

이러한 목적, 특징 및 장점을 위해서 굴곡 조립체나 캐리지가 발표된다. 한 실시예에서 본 발명의 굴곡 캐리지는 강체 재료로 형성되며 서로 평행하게 이격되게 배열된 4개의 연장 칼럼(elongate columns)을 갖는다. 각 칼럼은 제1 및 2 단부를 갖는다. 캐리지는 또한 각 제1 크로스 부재가 사이에 연장되어서 연장 칼럼(elongate columns)의 2개의 제1단부를 상호 연결하도록 배열된 4개의 제1 크로스 부재를 갖는다. 캐리지는 또한 각 제2 크로스 부재가 사이에 연장되어서 연장 칼럼의 2개의 제2단부를 상호 연결하도록 배열된 4개의 제2 크로스 부재를 갖는다. 캐리지는 연장 칼럼 사이의 공간 내에서 칼럼의 제1단부와 제2단부 사이에 등거리로 배치된 병진섹션을 갖는다. 병진섹션은 연장 칼럼에 상호 연결된다. 캐리지는 복수의 굴곡부를 가지며, 한 굴곡부는 칼럼의 각 제1단부를 각 제1 크로스 부재에 연결시킨다. 한 굴곡부는 칼럼의 각 제2단부를 각 제2 크로스 부재에 연결시킨다. 적어도 하나의 굴곡부는 병진섹션을 갖는 각 칼럼을 상호 연결시킨다. 이 굴곡부는 연장 칼럼의 배향에 수직인 평면에 적용된 힘에 따라서 병진섹션이 움직일 수 있게 한다. 굴곡 캐리지의 대칭성은 X-Y평면에 수직한 Z방향으로의 이동을 제거한다.

한 실시예에서 한 쌍의 굴곡부는 병진섹션을 갖는 각 칼럼을 상호 연결시킨다. 각 쌍의 한 굴곡부는 제1단부에 더 가까운 각 칼럼상의 병진섹션에 인접 배치된다. 각 쌍의 다른 굴곡부는 제2단부에 더 가까운 각 칼럼상의 병진섹션에 인접 배치된다.

한 실시예에서 굴곡 캐리지의 각 굴곡부는 가로로 형성되어 서로를 향해 한 칼럼으로 연장된 제1 대향하는 슬롯쌍을 포함한다. 강체 재료로 구성된 제1웹이 제1슬롯쌍 사이에 남겨진다. 제2 대향하는 슬롯쌍이 동일한 칼럼에서 제1 대향하는 슬롯쌍으로부터 이격되며 가로로 형성되어 서로를 향해 칼럼으로 연장된다. 강체 재료로 구성된 제2웹이 제2슬롯쌍 사이에 남겨진다. 제1웹과 제2웹은 서로에 대해 수직으로 배열되고 동일한 칼럼을 따라 이격된다.

한 실시예에서 연장 칼럼에 수직한 제1 선형 경로를 따라 병진섹션을 이동시키기 위해서 병진섹션에 연결된 제1 압전 요소가 굴곡 캐리지에 제공된다. 연장 칼럼(elongate columns)에 수직하며 제1경로에 수직한 제2 선형 경로를 따라 병진섹션을 이동시키기 위해서 병진섹션에 제2 압전 요소가 연결된다.

한 실시예에서 본 발명에 따라 고 해상도 측정장치가 구축되며 장치의 다양한 요소를 지지하는 지지 구조물을 갖는다. 측정장치는 또한 굴곡 캐리지의 병진섹션에 의해서 지지되는 측정기기를 갖는다. 각 압전 요소는 한 부위에서 측정장치의 지지 구조물에 부착되고 병진섹션과 측정기기를 함께 이동시키도록 적용된 힘을 병진섹션에 제공하기 위해서 굴곡 캐리지의 병진섹션의 한 부위에 부착된다.

도1은 본 발명에 따라 구축된 굴곡 조립체의 사시도이다.

도2a는 도1 굴곡 조립체의 굴곡 캐리지 조립체 사시도이다.

도2b는 도2 굴곡 캐리지 조립체 사시도이다.

도3은 굴곡 캐리지 한 측부의 평면도이다.

도4는 수직축 Z상에서 90도 회전된 도3 굴곡 캐리지의 또 다른 측부의 평면도이다.

도5는 도3의 원(V)으로 표시된 굴곡부의 확대도이다.

도6은 도4의 원(VI)으로 표시된 굴곡부의 확대도이다.

도7은 굴곡 캐리지의 단면도로서 실선으로 정지 위치를 점선으로 편향된 위치를 보여준다.

도8은 굴곡 캐리지의 또 다른 단면도이다.

*부호설명*

20...굴곡 장치 22...지지 구조물

24...굴곡 캐리지 조립체 25...캐리지

26,90...압전 요소 28...단부 커플러

29...병진섹션 30...중앙 키플러

32A-D...칼럼 34A-D...상부 단부

36A-D...하부 단부 38A-D...제1 크로스 부재

39...상부 40A-D...제2 크로스 부재

41...하부 50...굴곡부

52,54,70...측면 56...정면

58,68...배면 60,62,86...웹

64,88...슬롯 80...보강 빔

82,84...단부

본 발명은 굴곡 장치 형태로 마이크로-위치선정 이동 트랜스듀서를 발표한다. 이 굴곡 장치는 굴곡 캐리지 조립체를 굳게 지지하는 강체 프레임 또는 지지구조물을 포함한다. 굴곡 캐리지 조립체는 X 및 Y방향으로 고 정밀도 병진이동을 허용하여 평탄한 평면이동을 하게 하는 복수의 구조물을 갖는 캐리지를 포함한다. 이 구조물은 적어도 부분적으로 X방향으로 적용된 힘을 정확하게 X방향으로만 병진섹션의 병진이동으로 전달한다. 또한 이 구조물은 적어도 부분적으로 Y방향으로 적용된 힘을 정확하게 Y방향으로만 병진섹션의 병진이동으로 전달한다. 이 구조물은 X-Y평면에 수직한 Z방향으로의 캐리지 병진섹션의 이동을 방지한다. 굴곡 캐리지 조립체는 굴곡 캐리지의 병진섹션을 구동하는 한 쌍의 압전 요소를 포함한다. 한 압전 요소는 병진 요소를 X방향으로 구동하고 다른 압전 요소는 병진 요소를 Y방향으로 구동한다. 압전 요소는 Z축에 수직한 X-Y평면에서 정밀 이동을 부여하지만 Z축에 평행하게 배향된다.

도1은 프레임 또는 지지 구조물(22)과 프레임에 단단하게 부착되어 지지되는 굴곡 캐리지 조립체(24)를 포함한 굴곡 장치(20)를 보여준다. 캐리지 조립체(24)는 캐리지(25)와 프레임(22)에 부착된 대향하는 원거리 단부 커플러(28)를 갖는 한 쌍의 압전 요소(26)를 포함한다. 압전 요소(26)는 굴곡 캐리지(25)의 병진섹션(29)에 부착된 중앙 커플러(30)를 포함한다. 일반적으로 프레임(22)은 적당한 기기나 장치에 부착되는 분리된 프레임 요소(도1)이거나 장치나 기기의 일체형 부위일 수 있다. 압전 요소는 전원으로부터 에너지를 받으며 적용된 에너지에 따라서 움직인다. 이 요소는 굴곡 캐리지(25)의 병진섹션(29)에 연결된 중앙 커플러(30)를 포함하므로 하기의 병진섹션은 압전 요소(26)의 이동에 따라 움직인다. 압전 요소(26)와 굴곡 캐리지(25)의 병진섹션(29)의 이동은 매우 정확하며 비교적 큰 이동범위를 갖는다. 그러나 이러한 장치의 전형적이고 바람직한 이동범위는 예컨대 1옹스트롬(Å) 내지 수 백 마이크론(μ)으로 실제로 작다.

도2a는 굴곡 캐리지 조립체(24)를 사시도로 보여준다. 도2b는 캐리지(25)를 사시도로 보여준다. 도3 및 4는 캐리지(25)를 측면도로 보여준다. 도3은 캐리지(25)의 배면을, 도4는 측면으로 수직축에 대해서 캐리지가 90도 회전한 것이다.

도2-4에서 캐리지 조립체(24)의 캐리지(25)는 직사각형 3차원 구조이다. 캐리지(25)는 스테인레스강과 같은 경질재료로 제조되며, 본 발명의 기능 수행을 위해서 부서지기 쉽거나 부드럽거나 신축적이어서는 안된다. 캐리지(25)는 대칭 구조로 구성되며 정면, 배면, 측면 및 상부 및 하부 단부를 포함한다.

도2는 굴곡 캐리지 조립체(24)를, 도2b는 캐리지(25)를 보여준다. 캐리지(25)는 서로 평행하게 배치되며 동일한 거리만큼 이격된 4개의 연장 수직 칼럼(32A-D)을 포함한다. 각 칼럼은 제1(상부)단부(34A-D) 및 제2(하부)단부(36A-D)를 포함한다. 각 칼럼은 동일한 길이이며 각 상부 단부가 서로 동일한 평면에서 종결되고 각 하부 단부가 서로 동일한 평면에서 종결되도록 배향된다.

캐리지(25)의 각 상부단부는 제1 크로스 부재(38A-D)에 의해서 인접한 칼럼의 상부단부에 연결된다. 예컨대, 크로스 부재(38A)는 인접한 칼럼(32A,B)의 상부단부(34A)와 상부단부(34B) 사이에 연장된다. 유사하게 크로스 부재(38B)는 상부단부(34B)와 상부단부(34C) 사이에 연장되며 크로스 부재(38C)는 상부단부(34C)와 상부단부(34D) 사이에 연장되며 크로스 부재(38D)는 상부단부(34D)와 상부단부(34A) 사이에 연장된다. 제1 크로스 부재(38A-D)는 조합되어 캐리지의 상부(39)를 형성한다.

유사하게 4개의 제2 크로스 부재(40A-D)가 연장 칼럼(32A-D)의 하부단부(36A-D) 사이에서 연장된다. 4개의 제2 크로스 부재(40A-D)는 조합되어 캐리지의 하부(41)를 형성한다. 각 크로스 부재(38A-D,40A-D)는 캐리지(25)의 상부(39)나 하부(41)에서 관찰할 경우 서로에 대해 직각으로 배열된다. 따라서 크로스 부재(38A-D,40A-D)와 연장 칼럼(32A-D)의 조합은 직각 3차원 평행사변형을 형성한다. 한 실시예에서 모든 크로스 부재가 동일한 길이어서 상부(39)와 하부(41)가 사각형이다. 대칭형 캐리지가 선호되지만 단면이 사각형일 필요는 없다.

크로스 부재(38A-D,40A-D)와 연장 칼럼(32A-D)이 일체로 형성되어서 강체 프레임구조를 형성한다. 그러나 굴곡 장치(20)의 캐리지(25)는 신축적 이동을 허용해야 한다. 캐리지(25)의 신축성은 캐리지(25) 구조에 복수의 굴곡부(50)를 첨가하여 제공된다. 캐리지(25)상에 굴곡부(50)의 배치가 캐리지의 기능 및 신축성과 함께 기술될 것이다.

캐리지(25) 설명을 단순화하기 위해서 임의로 좌표계가 선택되어 활용된다. 도2b에서 4개의 연장 칼럼(32A-D) 및 측면(52,54)에 대해 수직한 축을 따라 X축이나 X좌표가 정의된다. Y축은 X축에 수직이며 캐리지(25)의 정면(56) 및 배면(58)에 수직하다. 정면(56) 및 배면(58)은 측면(52,54)에 대해 수직하다. Z축은 4개의 연장 칼럼(32A-D)사이에 평행하게 X-Y평면에 수직하게 배치된다. 도4에 배면(58)이, 도3에 측면(52)이 도시된다.

도5는 상부단부(34C)에서 연장 칼럼(32C)과 크로스 부재(38B)사이의 연결부에서 취한 굴곡부(50)의 구성을 보여준다. 도6은 도5 굴곡부에 대해 90도 각도로 관찰된 굴곡부(50)를 보여준다.

각 굴곡부(50)는 X-Y평면에 가까운 제1 물질 웹(60)과 제1 물질웹(60)에 수직하며 캐리지 상부(39)나 하부(41)에 가까운 제 2물질웹(62)을 포함한다. 각 웹은 적절한 칼럼(32)의 대향 표면에 수직 또는 가로로 한 쌍의 대향 슬롯(64)을 생성함으로써 형성된다. 따라서 각 웹(60,62)은 슬롯 사이의 얇은 막이나 웹이며 한 슬롯(64)에서 관찰할 경우 칼럼(32)의 전체 폭을 연장한다. 그러므로 도5의 굴곡부(50)는 얇은 벽 구성이 관찰될 수 있도록 단부 도면상에 제1 물질웹(60)을 보여준다. 제 2물질웹(62)은 길이 방향으로 도시된다. 동일한 굴곡부(50)가 도6에 도시되는데 제 1 물질웹(60)이 길이 방향이며 제 2 물질웹(62)이 단부 도면에 있다.

각 굴곡부(50)는 X 및 Y방향 직선이동은 허용하지만 Z방향 이동은 허용하지 않는다. 제 1 물질웹(60)은 X방향으로 힘이 적용될 경우 크로스 부재(38B)에 대한 칼럼(32C)의 약간의 측면 이동을 허용한다. 제 2 물질웹(62)은 X방향에서 길이 방향으로 배향되고 크로스 부재(38B) 및 칼럼(32C)에 단단하게 연결되므로 X방향 이동이 방지된다. 그러나 도6에서처럼 90도 각도에서 관찰할 경우 Y방향으로 힘이 적용될 경우 Y바양 이동을 허용한다.

각 굴곡부(50)는 X 또는 Y방향으로 힘이 적용될 경우 X 및 Y방향 이동을 허용한다. 각 굴곡부(50)에 연결된 각 구조 요소간의 강체 연결에 기초하여 각 굴곡부(50)는 Z방향 이동을 방지한다. 한 웹은 한 직선 방향으로만 이동을 허용하고 다른 웹은 다른 웹의 직선 이동방향에 수직한 한 직선 방향으로만 이동을 허용한다는 점에서 각 굴곡부(50)의 구성은 적용된 힘의 방향으로만 직접 이동을 증가시킨다. 각 웹은 또한 의도된 이동 방향이외의 웹 이동을 방지한다. 그러므로 각 굴곡부(50)는 적용된 힘에 따라 정확한 X또는 Y 굴곡을 제공하며 Z방향 이동을 방지한다.

도2a에서 굴곡부(50)는 칼럼(32A-D)과 크로스 부재(38A-D,40A-D) 사이에서 상부단부(34A-D) 및 하부단부(36A-D)에서 배치된다. 칼럼(32)의 상부단부(34)에 배치된 각 굴곡부(50)는 모든 제 1 물질웹(60)이 서로에 대해 동일한 방향으로 배향되고 모든 제 2 물질웹(62)이 서로에 대해 배향되도록 배향된다. 칼럼(32)의 하부단부(36)에 배치된 각 굴곡부(50) 역시 서로에 대해 동일하게 배향된다. 각 칼럼(32A-D)의 대향 단부에 배치된 각 굴곡부(50)는

캐리지(25) 구축에서 대칭성을 제공하도록 서로의 거울상으로 배향된다. 예컨대 칼럼(32A)의 단부(34A,34B) 상의 굴곡부(50)는 서로에 대해 평행하게 배향된 제 2 물질웹(62)과 제 1 물질웹(60)을 갖는다.

각 칼럼(32A-D)은 적어도 하나의, 특히 한 쌍의 굴곡부(50)를 포함하며, 굴곡부는 X축 및 Y축에 의해 정의된 중심 근처에 배치되고 중심-선이나 X-Y평면의 각 면상에 배치된다. 이들 내부 굴곡부(50)는 서로에 대해 거울상이 되도록 배치된다. 제 1 물질웹(60)은 서로에 대해 평행하게 배향되고 제 2 물질웹(62)은 서로에 대해 평형하게 배향된다. 중심선 근처에 배치된 굴곡부(50)는 각 칼럼(32A-D)상에 동일하게 배향되어서 균일한 굴곡부를 제공한다.

병진섹션(29)이 캐리지의 각 중심선 굴곡부(50)에 연결된다. 캐리지가 캐리지(25)의 병진섹션(29) 상부나 하부에서 병진섹션(29)에 대해 대칭이 되도록 병진섹션(29)은 캐리지(25)의 X-Y평면에 대응하여 배치된다. X방향으로 병진 섹션의 배면에(68) 적용된 힘은 모든 굴곡부(50)를 웹에서 구부려서 도7의 점선으로 도시된 바와같이 X방향으로 이동을 허용한다. 캐리지(25)는 대칭으로 구성되므로 X-Y평면의 한 면상의 특정 굴곡부(50)의 Z방향으로의 작은 이동은 X-Y평면의 다른 면상의 대응하는 굴곡부(50)의 거울상 이동에 의해서 상쇄된다. 이러한 거울상 이동은 마이크로-액추에이터의 작동동안 캐리지상의 응력변형을 제거한다. 따라서 병진섹션(29)은 캐리지의 중심축에서 X-Y평면을 따라 평탄하게 움직인다.

Y방향으로 병진섹션(29)의 측면(70)에 적용된 힘은 각 굴곡부(50)를 배향된 웹 주위로 약간 구부려서 Y방향으로 이동을 허용한다. 구조의 대칭성 때문에 Y방향으로 병진섹션(29)의 이동은 X-Y평면을 따라 매우 평탄할 것이다. 굴곡부(50) 및 캐리지(25)의 구성 때문에 Y축을 따라 적용된 하중은 Y방향으로 이동으로서 전달되고 X 또는 Y방향으로 이동은 없다. 동시에 X 및 Y방향으로 적용된 하중은 각 방향으로 힘 벡터에 따라 일정 거리의 경우에만 X 및 Y방향으로 병진섹션(29)을 이동시킨다. X방향 힘은 Y방향 이동을 일으키지 않고 Y방향 힘은 X방향 이동을 일으키지 않는다. 그러므로 본 발명의 캐리지 조립체(24)를 활용하여 매우 정확한 결과가 수득된다.

도3및4에서 캐리지(25)는 인접한 칼럼(32A-D)을 연결하고 상부 및 하부 크로스 부재(38A-D, 40A-D)에 평행한 복수의 보강 빔(80)을 포함한다. 각 보강 빔(80)은 웹(86)에 의해서 대향 단부(82,84)에서 칼럼(32A-D)에 연결된다. 한 쌍의 대향하는 노치나 슬롯(88)이 각 단부(82,84)에 인접한 캐리지 재료 속으로 절단되어서 보강 빔(80)을 연장 칼럼(32A-D)에 연결시키는 얇은 웹을 형성한다는 점에서 웹(60 또는 62)과 유사하게 웹(86)이 형성된다. 각 보강 빔(80)은 인접한 칼럼(32A-D)을 서로에 대해서 측부 방향으로 고정하여 X 또는 Y방향으로 움직인다면 나란히 움직이며 서로 가까워지거나 멀어지지 않는다. 그러나 각 보강 빔의 단부에서 웹(86)은 보강 빔을 칼럼(32A-D)중 하나에 대해서 약간 선회전 시켜서 병진섹션(29)이 X-Y평면에서 움직일 수 있게 함으로써 캐리지(25)가 의도된 굴곡 기능을 수행할 수 있다.

도3및4에서 캐리지 구조물에 측부 지지물을 제공하기 위해서 정면(56),배면(58),측면(52,54)은 각 굴곡부(50)에 인접한 보강 빔(80)을 포함할 수 있다. 도1 및 2b에서 도시된 바와 같이 캐리지(25)내부로 접근을 허용하기 위해서 정면(56)과 같은 한 면은 보강 빔이 없을 수 있다. 접근은 센서 프로브나 굴곡 장치의 병진섹션(29)에 부착되거나 운반되는 기타 장치를 활성화, 설치, 또는 대체하는데 필요하다. 보강 빔(80)의 개수나 위치는 본 발명의 범위 내에서 변할 수 있다. 보강 빔의 첨가 및 강도는 굴곡 장치(20)의 사용 분야에 의해서 결정된다. 어떤 분야는 더 강체 캐리지(25)를 필요로 하며 다른 경우에는 더 신축적인 구조가 필요할 수 있다.

도1 및 2b에서 배면(58)과 측면(52)은 압전 요소(26)에 연결된다. 한 실시예에서 각 압전 요소(26)는 도 2a 및 8에서처럼 중앙 블록 커플러(30)로부터 대칭적으로 외향 연장된 한 쌍의 압전 요소를 갖는다. 커플러(30)는 함께 이동하기 위해서 병진섹션(29)의 배면(68)에 단단하게 부착된다. 커플러(30)는 캐리지(25)에 대해 기술한 구성과 동일한 한 쌍의 대칭적으로 대향하는 굴곡부(50)를 포함한다. 각 굴곡부(50)는 압전 요소 중 하나에 부착된다. 각 압전 요소는 대향 원거리 단부에서 프레임(22)에 단단하게 고정되어 유지되는 단부 커플러(28)에 부착된다. 각 단부 커플러(28)는 압전 요소를 단부 커플러(28)에 연결하는 굴곡부(50)를 포함한다.

각 압전 요소는 전원에 연결되며 압전 요소에 에너지를 주고 각 요소 및 병진섹션을 이동시키는데 전원이 활용된다. 커플러(30,28)에서 굴곡부는 압전 요소(90)가 압전 요소(26)의 여자 방식에 따라 X 또는 Y방향으로 중앙 커플러(30) 및 병진섹션(29)을 구동할 수 있게 한다.

특정 조립체의 각 압전 요소(90)가 동일한 이동을 일으키도록 압전 요소(90)는 각 압전 요소(26)에 대해 성질이 동일하다. 따라서 균형에서 벗어난 힘이 병진섹션(29)에 적용되지 않는다. 추가로 각 단부 커플러(28)가 프레임(22)에 굳게 고정되므로 각 압전 요소(26)에 의해 이루어진 이동은 단지 X 또는 Y방향이다. 그렇지 않을 경우에 압전 요소의 한 단부에서 Z방향으로 일어날 이동이 조립체(26)의 다른 단부에서 반대의 동일한 반응에 의해서 상쇄된다.

도2a에서 각 압전 요소(26)의 중앙 커플러(30)는 구성이 상이하다. 그러나 유일한 차이는 병진섹션(29)에 부착된 커플러(30)의 강체 중앙 부위 크기이다. 커플러(30)의 강체 중앙 부위 크기는 커플러가 부착된 병진섹션(29)의 표면(68 또한 70)의 형태나 크기에 대응한다. 중앙 커플러(30) 및 단부 커플러(28)의 구성과 크기는 다양할 수 있다. 또한 압전 요소의 크기, 형태 및 구성도 다양할 수 있다.

요약하면 굴곡 캐리지(25)의 구조가 X방향으로 적용된 힘을 Y나 Z방향으로 이동을 일으키지 않고 병진섹션(29)의 X방향 이동으로 전달한다. 유사하게 Y방향으로 적용된 힘을 X나 Z방향으로 이동을 일으키지 않고 병진섹션(29)의 Y방향 이동으로 전달한다. 압전 요소(26)에 의해 적용된 힘은 X 및 Y방향 이동을 일으키며, X방향 이동은 X방향으로 적용된 힘에 대응하고 Y방향 이동은 Y방향으로 적용된 힘에 대응한다. 본 발명의 굴곡 장치의 구성은 고 정밀 X-Y좌표 이동을 일으키며 Z방향으로 병진섹션의 이동을 제거하면서 넓은 영역에 걸쳐서 매우 평탄한 X-Y평면 이동을 일으킨다.

칼럼(32A-D), 크로스 부재(38A-D,40A-D), 굴곡부(50), 웹(60,62,84), 슬롯(64,86) 및 병진섹션(29)의 크기, 형태 및 구성이 본 발명의 사상을 벗어남이 없이 변경될 수 있고, 신축적인 캐리지 제조에 활용된 재료, 크기, 형태 및 구성이 장치(20)의 의도하는 분야에 따라 선택될 수 있다. 압전 요소(26)를 포함한 캐리지 조립체(24)의 콤팩트한 성질은 과거보다 작은 환경에서 본 발명을 활용할 수 있게 한다. 이것은 압전 요소(26)가 압전 요소에 의해 생성된 병진섹션의 X-Y 평면이동에 대해 Z방향으로 배향된 신규한 본 발명의 구성으로 달성된다.

Claims

프로브와 표본사이에서 작용하는 감지 프로브 마이크로스코프를 위한 굴곡 조립체에 있어서,

(A) 상부 단부 및 하부 단부를 각각 가지는 연장 칼럼(elongate columns);

(B) 상부 및 하부 단부 사이에 등거리로 연장 칼럼(elongate columns) 사이에 배치되어 연장 칼럼(elongate columns)을 상호연결하고 프로브와 표본 중 하나를 지지하는 병진 섹션;

(C) 각 연장 칼럼(elongate columns)을 상기 병진 섹션에 상호연결하는 굴곡부를 포함하여 구성되고,

굴곡부의 이동에 따라 병진섹션에 의해 지지되는 프로브 및 표본 중 하나가 목표 방향(intended direction)으로만 움직이는 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 목표 방향(intended direction)이 세 직각 방향(three orthogonal directions) 중 하나이상인 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 2항에 있어서, 하나이상의 방향이 Y 방향으로 병진 섹션이 움직이지 않는 X방향 및, 상기 X방향에 수직한 Z방향인 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 굴곡 조립체는 X-Y 평면에서 움직이고 Z방향으로 병진이동이 감소되는 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 4항에 있어서, 상기 Z방향이 X-Y평면에 수직인 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 4항에 있어서, 상기 굴곡 조립체를 지지하는 강체 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 1항에 있어서,

(1) 연장 칼럼(elongate columns)의 상부 단부에 연결되는 상부 크로스 부재; 및

(2) 연장 칼럼(elongate columns)의 하부 단부에 연결되는 하부 크로스 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 1항에 있어서,

(1) 각 연장 칼럼(elongate columns)내에서 서로를 향해 가로질러 연장되도록 형성된 대향된 제 1 슬롯 쌍으로 구성된 제 1 물질웹; 및

(2) 연장 칼럼(elongate columns)내의 대향된 제 1 슬롯쌍을 향해 연장되고 각 연장 칼럼(elongate columns)내에 가로지르도록 형성된 대향된 제 2 슬롯 쌍으로 구성된 제 2 물질웹을 더 포함하고, 상기 제 1 물질웹 및 제 2 물질웹이 서로 수직하고 상기 연장 칼럼(elongate columns)을 따라 이격되는 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 1항에 있어서,

(1) 병진 섹션에 연결되어 제 1 직선 경로를 따라 상기 병진 섹션을 움직이는 제 1 압전 요소; 및

(2) 병진 섹션에 연결되어 제 2 직선 경로를 따라 상기 병진 섹션을 움직이는 제 2 압전 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 9항에 있어서,

(1) 병진섹션의 한 부위에 연결된 강체 섹션을 갖는 중앙 커플러;

(2) 상기 강체 섹션에 연결된 하나이상의 굴곡부;

(3) 제 1 및 제 2 압전 요소를 포함하여 구성되고,

상기 제 1 압전 요소는 각 굴곡부로부터 연장 칼럼(elongate columns)의 상부 단부를 향하여 연장되고, 상기 제 2 압전 요소는 각 굴곡부로부터 연장 칼럼(elongate columns)의 하부 단부를 향해 연장되는 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 10항에 있어서, 각각의 굴곡부는 제 1 및 제 2 압전 요소와 강체 섹션을 상호연결하는 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 1항에 있어서, 연장 칼럼(elongate columns)에 연결되는 복수의 보강빔을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
제 6항에 있어서, 상기 강체 프레임이 스테인레스강인 것을 특징으로 하는 굴곡 조립체.
프로브와 표본사이에서 작용하는 감지 프로브 마이크로스코프의 굴곡 캐리지에 있어서,

(A) 상부 단부 및 하부 단부를 각각 가지는 연장 칼럼(elongate columns);

(B) 상부 및 하부 단부 사이에 등거리로 연장 칼럼(elongate columns) 사이에 배치되어 연장 칼럼(elongate columns)을 상호연결하고 프로브와 표본 중 하나를 지지하는 병진 섹션;

(C) 각 연장 칼럼(elongate columns)을 상기 병진 섹션에 상호연결하는 굴곡부;

(D) 상기 병진 섹션에 연결되는 제 1 및 제 2 압전 요소를 포함하여 구성되고,

압전 요소가 에너지를 받음에 따라 병진섹션에 의해 지지되는 프로브 및 표본 중 하나가 목표 방향(intended direction)으로만 움직이는 것을 특징으로 하는 굴곡 캐리지.
제 14항에 있어서, 상기 목표 방향(intended direction)이 세 직각 방향(three orthogonal directions) 중 하나이상인 것을 특징으로 하는 굴곡 캐리지.
제 15항에 있어서, 하나이상의 방향이 Y 방향으로 병진 섹션이 움직이지 않는 X방향 및, 상기 X방향에 수직한 Z방향인 것을 특징으로 하는 굴곡 캐리지.
제 14항에 있어서, 상기 제 1 압전 요소는 제 1 직선 경로를 따라 상기 병진 섹션을 움직이고, 상기 제 2 압전 요소는 제 2 직선 경로를 따라 상기 병진 섹션을 움직이는 것을 특징으로 하는 굴곡 캐리지.
제 14항에 있어서,

(1) 병진섹션의 한 부위에 연결된 강체 섹션을 갖는 중앙 커플러;

(2) 상기 강체 섹션에 연결된 하나이상의 굴곡부;

(3) 제 1 및 제 2 압전 요소를 포함하여 구성되고,

상기 제 1 압전 요소는 각 굴곡부로부터 연장 칼럼(elongate columns)의 상부 단부를 향하여 연장되고, 상기 제 2 압전 요소는 각 굴곡부로부터 연장 칼럼(elongate columns)의 하부 단부를 향해 연장되는 것을 특징으로 하는 굴곡 캐리지.
고 해상도 측정 장치에 있어서,

(A) 캐리지에 의해 지지되는 측정기기;

(B) 서로 평행하게 배치되고 상부 단부와 하부 단부를 가지는 각각의 연장 칼럼(elongate columns)을 포함하며, 함께 이동하는 측정기기를 지지하는 이동가능한 캐리지를 갖는 굴곡 조립체;

(C) 상기 조립체를 안전하게 이송하는 지지 구조물;

(D) 연장 칼럼(elongate columns)에 상호연결되고 상기 연장 칼럼(elongate columns)의 상부 및 하부 단부사이에서 등거리로 배치되는 병진섹션;

(E) 상기 각각의 연장 칼럼(elongate columns)을 병진섹션과 상호연결하는 굴곡부;

(F) 제1직선 경로를 따라 상기 병진섹션을 움직이도록 병진섹션에 연결된 제1압전 요소;

(G) 제2직선 경로를 따라 상기 병진섹션을 움직이도록 병진섹션에 연결된 제2압전 요소를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고 해상도 측정 장치.
제 19항에 있어서, 상기 이동가능한 캐리지가 대칭구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고 해상도 측정 장치.
제 19항에 있어서, 상기 연장 칼럼(elongate columns)의 상부 단부와 병진 섹션사이의 거리 및 상기 연장 칼럼(elongate columns)의 하부 단부와 병진 섹션사이의 거리가 동일한 것을 특징으로 하는 고 해상도 측정 장치.
제 19항에 있어서, 상기 측정기기가 프로브 및 표본 지지수단을 더 포함하고, 이동가능한 캐리지가 상기 프로브 또는 표본 지지수단 중 하나를 지지하는 것을 특징으로 하는 고 해상도 측정 장치.