An ultraprecision rotary inchworm motor that is capable of a micro radian positioning is presented. The driving principle of this rotary motor is an inchworm procedure of two wrapped belts. The presented inchworm motor has especial advantages compared with conventional inchworm motors. A compact structure is realized by integrating a clamping part and a drag part, and this motor has an unlimited operating range. To assemble simply and reduce the number of components, two symmetric lever mechanisms with flexure hinges are used for the rotary inchworm motor. For exact mathematical analysis of the lever mechanism, a new elastic modeling method is presented. This method regards the total lever mechanism as a connection of hinges and prismatic simple rectangular beams. The proposed modeling method had a fairly closed result with commercial FEM software (I-DEAS). From analyses, it is known that the presented modeling method is appropriate for the lever mechanism with flexure hinges. The design of the lever mechanism for the inchworm rotary motor was performed by the optimization using the elastic modeling method. Dimensions of the lever mechanism were determined to obtain a maximum displacement on the output point and a high resonance frequency with predetermined size constraints. The modeling of the inchworm rotary motor was performed to estimate driving characteristics. The inchworm driving procedure of the rotary motor is mathematically expressed to calculate a rotating angle and a torque. In addition, the moving displacements of the belt driven by two opposite lever mechanisms are calculated. This analysis shows that the difference of moving displacements of the belt by two opposite lever mechanism is about 1/100 of the total value. To remove these unbalanced movements of the belt, input displacements of two opposite lever mechanisms should be given properly. So, desired input displacements are calculated by the numerical models of belt movement curves. The prototype of the inchworm rotary motor is constructed with the designed lever mechanism with flexure hinges. To realize the rotary motion of the motor, an experimental setup is established. From experiments and analyses, the usefulness of the elastic modeling method for the lever mechanism is verified. With the displacement of a piezoelectric element by 100 V, x-directional displacement of the lever mechanism was 49.91 ㎛ and Y-directional displacement was 23.54 ㎛. Two driving methods are used for the inchworm rotary motor. One is an accumulated sub-step rotating method that is appropriate for a fine motion less than 10 μrad, the other is an inchworm driving method that is appropriate for a large step and continuous rotation. It is measured that the minimum resolution of a fine rotating method is 1.25 μrad. Combining the fine rotation and the inchworm rotation as a dual driving mechanism with a coarse actuator and a fine actuator, a very precise rotational positioning is obtained. A maximum rotational velocity is 58286 μrad/s, and a holding torque is 5.3 Nmm at the clamping voltage of 40 V.
최근의 정보처리 및 저장매체의 고집적화, 고속도화는 광학식 측정장치, 반도체 제조 및 검사장비 등의 고정밀도화를 요구하고 있다. 특히, 위치결정 메커니즘은 초정밀 장치의 성능을 좌우하는 핵심기반기술이다. 각종 물질의 결정구조 및 정성분석에 사용되는 X선회절장치의 회전 위치결정 메커니즘은 광역의 범위에서 고분해능의 회전을 필요로 하고 있다. 이러한 장치에 사용되는 기존 위치결정 메커니즘은 기어비 감소에 의한 방식을 채택하고 있다. 그러나, 기어 백래쉬 (backlash)나 마모 등에 의한 오차와 크고 복잡한 구조상의 특성으로 인해 새로운 방식의 회전구동 메커니즘에 대한 연구가 필요해지고 있다.
광역의 구동범위에서 서브 마이크로미터 이하의 위치 정밀도를 구현하기 위해 다양한 방식의 메커니즘이 개발되었다. 적용장치의 구동영역, 속도, 그리고 위치결정 정밀도에 따라 상이한 메커니즘을 병합하거나 새로운 형태를 설계하게 된다. 수십 나노미터 수준의 위치 정밀도를 구현하기 위해서 탄성힌지 (flexure hinge)를 적용한 다자유도의 스테이지 (stage)가 개발되었다. 또한, 단일 구조형태의 탄성힌지 스테이지를 개발하여 조립시에 발생될 오차를 최소화하는 연구도 수행되었다. 이러한 탄성힌지 스테이지는 위치결정 분해능이 매우 우수한 반면 수십 마이크로미터의 좁은 구동영역을 가지는 단점이 있다. 구동영역의 제한을 극복하면서 고속의 초정밀 위치결정이 요구되는 용도에 듀얼스테이지 (dual-stage) 방법이 적용된다. 이 방법은 조동 (coarse motion)메커니즘과 미동 (fine motion)메커니즘을 병합하여 선택적으로 사용하게 된다. 조동메커니즘은 광역의 범위에서 고속구동에 이용되고, 미동메커니즘은 목표위치 부근에서 고분해능의 위치결정을 수행하게 된다. 또한, 에어베어링 슬라이더나 트위스트로울러 (twist-roller)를 이용한 마찰구동방식도 제안되었다. 1980년대 후반부터는 압전소자 (piezoelectric element)를 구동원으로 이용한 초정밀 구동메커니즘의 설계에 관한 연구가 활발히 행해져 오고 있다. 특히, 압전소자를 사용한 인치웜모터 (inchworm motor)는 구동범위의 제한이 없고, 고분해능의 위치결정이 가능하며, 항상 클램핑 상태가 유지되어 외란에 강인한 특성을 가지고 있다. 이러한 장점 때문에 다양한 형태의 인치웜모터가 개발되어 주사전자현미경 (STM)등의 표면측정장치나 반도체의 노광장비 등에 사용되어져 오고 있다. 이러한 연구에 더불어 인치웜방식의 직선운동 형태를 회전방향으로 변환시킨 회전모터가 제시되고 있다. 인치웜 압전모터의 구동원인 압전소자의 신장변위는 수십 ㎛로 매우 미소하다. 따라서, 모터제작시의 요소부품의 가공, 조립 등의 어려움을 내포하고 있다. 이러한 이유로 컴팩트한 구조와 구동방식에 의한 인치웜모터에 대한 필요성이 부각되고 있다. 또한, 관련 요소 부품수의 최소화, 조립의 간편 등에 대한 연구도 동반되어야 한다.
이에 본 연구는 초정밀 장치에 적용할 수 있는 마이크로라디안의 회전위치분해능을 구현할 수 있는 새로운 구동방식의 회전모터의 개발에 관한 것이다. 제시된 회전모터는 기존의 인치웜 회전모터와는 달리 클램핑부와 회전구동부를 일체화함으로서 컴팩트한 구조를 구현하였으며, 구동영역의 제한이 없는 특징이 있다. 구동원리는 압전소자의 변위를 순차적으로 조절함으로써 두개의 벨트의 인치웜 과정을 이용하여 회전운동을 발생시키는 것이다. 또한, 벨트와 압전소자의 연결을 위해 탄성힌지를 포함한 대칭된 구조의 일체형 레버메커니즘 (lever mechanism)을 설계하였다. 또한, 탄성힌지를 포함한 레버메커니즘을 수학적으로 정확하게 해석할 수 있는 탄성체 모형화 방법 (elastic modeling method)을 제시하였다. 탄성체 모형화 방법은 레버메커니즘 전체를 힌지와 단순사각빔의 탄성체 요소들의 결합으로 간주하여 해석하는 방법이다. 제시된 모형화 방법을 출력단이 평면상을 움직이는 2단 증폭 레버메커니즘에 적용한 해석과 상용프로그램이 동일한 결과를 보임으로써 모형화 방법의 타당성을 검증하였다. 또한, 해석결과로부터 레버폭의 치수가 출력성능에 크게 영향을 미침을 알 수 있었다. 이는 레버를 강체로 고려할 수 있을 정도의 크기가 아닌 경우에는 제시된 탄성체 모형화 방법을 적용하면 더 정확한 결과를 얻을 수 있음을 의미한다. 기존의 상용 유한요소해석 (finite element method) 프로그램과는 달리 탄성체 모형화 방법은 최적설계 등의 설계도구로써 유용하게 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
인치웜 회전모터용 탄성힌지 레버메커니즘은 제시된 탄성체 모형화 방법과 최적설계 방법을 적용하여 설계하였다. 인치웜 회전모터의 설계 및 구동특성을 파악하기 위해 수학적인 모형화를 수행하였다. 또한, 인치웜 구동과정 중에 상반된 레버의 작동에 의한 벨트의 이동거리를 해석하였다. 제작된 탄성힌지 레버메커니즘과 인치웜 회전모터를 이용하여 실험장치를 구성하고, 제시된 인치웜 회전모터의 구동을 실현하였다. 인치웜 회전모터의 구동은 두가지의 회전방식이 가능하다. 미세회전방식은 10 (rad 이하의 고분해능의 회전에 적합하고, 인치웜 구동방식은 큰 스텝회전과 연속적인 회전에 이용된다. 미세회전방식으로 얻어진 최소분해능은 1.25 μrad으로 측정되었다. 최대 회전속도는 58286 μrad/s, 40 V의 클램핑 전압에 대한 발생토크는 5.3 Nmm이었다. 실험과 해석의 결과분석을 통하여 탄성힌지 레버메커니즘과 인치웜 회전모터의 구동특성 및 모형화의 유용성을 검증하였다. 이상의 해석과 실험을 통하여 유사한 탄성힌지 레버메커니즘과 초정밀 모터의 설계에 관한 이론적인 기초를 정립하고자 하였다.
