KR101178564B1 - 자기장 및 전자기장 차폐장치를 구비한 엠알댐퍼를 사용한 방진마운트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동제어에 속하는 기술로서, TFT LCD, 반도체 등을 생산하는 생산설비와 같이 정밀한 진동제어를 요하는 장치의 방진 장치로 사용할 수 있는 방진 마운트에 관한 것이다.

본 발명의 MR댐퍼를 구비한 방진마운트는 에어스프링의 하부에 공기통을 부가하여 에어스프링이 항상 일정한 힘으로 장비를 지지하게 하고, 전자기장 및 자기장 차폐장치를 구비한 MR댐퍼를 공기통의 내부에 결합하는 형태로 하였다. 차폐장치에서 자기장차폐장치는 투자율이 높은 재료인 순철을 바닥이 있는 원통형상으로 제작하여 내부에 자기장을 인가하는 코일이 삽입될 수 있도록 하였고, 전자기장차폐장치는 전기 양도체 재료인 알루미늄 또는 동을 원통 형상으로 제작하여 그 내부에 자기장차폐장치가 장입될 수 있게 하였다.

본 발명의 MR댐퍼를 사용한 방진마운트는 종래의 MR댐퍼를 사용한 방진마운트와 진동제어와 관련된 기능은 동일하고, MR댐퍼 작동시 발생되는 자기장과 전자기장은 완벽하게 차폐되어 주변 정밀 기기의 작동을 방해하지 않는다.

MR유체, MR댐퍼, 자기장, 전자기장, 차폐, 방진마운트, 댐퍼, 정밀기계.

Description

자기장 및 전자기장 차폐장치를 구비한 엠알댐퍼를 사용한 방진마운트{Vibration Isolation Mount Using MR Damper Having Magnetic and Electro-Magnetic Shielding Device}

본 발명은 진동제어에 속하는 기술로서, TFT LCD, 반도체 등을 생산하는 생산설비와 같이 정밀한 진동제어를 요하는 장치의 방진 장치로 사용할 수 있는 방진 마운트에 관한 것이다.

방진시스템이란 방진대상 물체인 질량을 스프링(여기서 스프링이란 통상의 금속스프링뿐만 아니라 변형에 의하여 위치에너지가 축적되는 모든 종류의 탄성체를 의미한다.)과 운동에너지를 열로 소산시켜 흡수하는 댐퍼로 지지하여, 방진대상 물체에서 발생한 진동이 주변으로 전달되거나 주변 진동이 방진대상 물체로 전달되는 것을 차단하기 위한 운동시스템을 의미한다. 여기서 질량, 스프링, 그리고 댐퍼를 진동의 3요소라고 한다. 그리고 방진마운트란 스프링 또는 스프링과 댐퍼를 조합하고 부착 구조물을 구비한 것으로서, 방진대상 장비를 바닥에 지지할 수 있도록 구성한 기구를 의미한다.

최근 반도체 공장, LCD 공장 등 자동화된 정밀 생산시설에서는 엄격한 진동 환경에서 운용되는 장치들이 많이 사용되고 있다. 이들 장비들은 주변에서 전달되는 미세한 진동을 차단하기 위하여 금속코일스프링, 에어스프링 등과 같이 스프링 상수가 아주 낮은 스프링을 사용하여 제작한 방진마운트를 이용하여 주변으로부터 전달되는 진동을 차단하고 있다.

정밀장비의 방진에 사용되는 스프링으로는 에어스프링이 많이 사용된다. 에어스프링은 3Hz 이하의 낮은 고유진동수를 가지는 방진시스템을 구성할 수 있어 금속스프링보다도 더 높은 방진효과를 얻을 수 있다. 그러나 에어스프링도 금속스프링처럼 내부 감쇠가 거의 없어 과도응답 시간이 길고 공진 영역에서 진동을 아주 크게 증폭시키는 문제점이 있다. 따라서 에어스프링을 사용하여 구성한 방진시스템은 동적 안정성이 낮아 자체에서 발생하는 진동 또는 주변에서 전달되는 비정상적인 진동 가진력에 의하여 크게 진동하고, 또한 과도진동 응답 시간이 길어 한번 진동이 발생하면 진동의 지속 시간이 길어서 정상적인 장비의 운용에 문제가 발생한다.

댐퍼(Damper)는 여러 가지 의미로 사용되나, 진동제어 분야에서는 진동하는 물체의 운동에너지를 열로 변환시켜 주변으로 소산시킴으로서 진동을 억제하는 기능을 하는 요소를 의미한다. 대표적인 댐퍼로는 자동차에 사용되는 쇼크업서버(Shock Absorber)를 들 수 있는데, 기체 또는 액체인 유체가 충진되어 있는 밀폐된 실린더에 작은 구멍인 오리피스가 형성된 피스톤을 구비하여, 진동에 의하여 피스톤이 운동을 하면 유체가 오리피스를 고속으로 흐르면서 유체의 점성에 의하여 마찰열이 발생하고, 그에 따라 진동체의 운동에너지가 열로 소산된다. 상기와 같은 댐퍼는 피스톤의 온동속도에 비례하는(비례상수를 "댐핑계수"라 함) 힘을 진동체에 가하여 진동을 억제한다.

방진시스템에서 스프링과 댐퍼를 함께 사용하면, 스프링만을 사용했을 때에 비하여 과도진동시간이 크게 단축되어 일시적인 진동이 빨리 소멸되고, 공진영역에서 진동의 증폭이 크지않아 유리하다. 그러나 계속적인 가진력에 의한 정상진동의 경우, 스프링만을 사용했을 때보다 방진효율이 다소 낮아진다.

최근에는 다양한 종류의 댐퍼(Damper)를 이용한 반능동제어(Semi-active Control) 방식의 방진시스템이 개발되고 있다. 이러한 반능동제어 방식의 방진시스템은 정상적인 운용 상태에서는 스프링만으로 구성된 방진마운트에 의하여 통상의 방진시스템과 동일하게 주변의 진동이 방진대상장비에 전달되는 것을 차단하다가, 어떤 원인에 의하여 방진대상장비가 비정상적으로 크게 진동을 하면 댐퍼가 작동을 하여 방진대상장비의 진동운동을 강제로 구속하여 진동을 멈추게 하는 방식으로 운용된다.

최근에는 댐퍼의 실린더에 충진되는 유체로 자기유변유체(Magneto-Rheological Fluid)를 사용한 자기유체댐퍼(Magneto-Rheological Damper, 통상 "MR댐퍼"로 약칭된다. 본 명세서에서도 "MR댐퍼"라 칭한다.)가 개발되어 사용되고 있다. MR댐퍼는 상용품(미국 LOAD사, 모델번호 : RD-1005-3 등)으로 시판되고 있는데, 그 내부 구조는 대략적으로 도 1과 같이 실린더, 오리피스가 있는 피스톤, 그리고 피스톤에 감긴 코일로 구성되고, 실린더의 내부에는 자기유변유체(Magneto- Rheological Fluid, MR유체, 이하 본 명세서에서도 "MR유체"라 칭한다.)가 충진된다.

MR댐퍼의 내부에 충진되는 자기유변유체는 주변 자기장의 세기에 따라 유체의 점성이 변하는 유체인데, 코일에 전기가 흘러 자기장이 형성되면 유체의 점성이 증가하여 오리피스를 통과할 때 큰 저항력을 유발하여 댐핑계수가 큰 댐퍼가 되고, 전기가 흐르지 않으면 유체의 점성이 낮아 댐핑계수가 작은 댐퍼가 된다. 즉 MR댐퍼는 코일에 흐르는 전류의 세기에 따라 댐핑계수를 조절할 수 있는 가변댐퍼이다.

최근에 본 출원인은 에어스프링 내부에 MR댐퍼를 내장하여 스프링과 MR댐퍼를 결합한 방진마운트인 운동제어장치(모션컨트롤러)를 개발하여, 등록번호 10-0811828호로 특허등록을 받은 바가 있다. 이 특허발명은 정상적인 진동상태에서는 MR댐퍼에 전기를 공급하지 않아 질량과 스프링만의 방진시스템이 되어 방진 효율이 높고, 비정상적인 큰 진동이 감지되면 MR댐퍼에 전기를 공급하여 스프링과 댐퍼를 함께 사용한 방진시스템이 되어 일시적인 과도진동을 신속하게 멈추게 하는 방진시스템을 제시하고 있다.(이와 같이 진동체의 진동 상황에 따라 수동적으로 방진장치의 특성을 변화시켜 진동을 제어하는 방식을 반능동진동제어 방식이라고 하고, 진동체의 진동상황에 따라 진동체에 적극적으로 힘을 가하여 진동을 제어하는 방식을 농동진동제어 방식이라고 한다.)

상기와 같은 MR댐퍼를 사용한 방진마운트는 주로 반도체 제조장비와 같은 초정밀 장비의 진동제어에 적용되는데, 이들 초정밀 장비들은 전자기장 또는 자기장의 영향에 의하여 오작동을 일으킬 염려가 있는 것이 상당수 있다. 이와 같이 전 자기장 또는 자기장의 영향을 받을 수 있는 정밀장비의 진동제어에 통상의 MR댐퍼를 사용할 경우 MR댐퍼의 작동시에 발생하는 전자기장 또는 자기장의 영향으로 방진대상인 정밀장비가 오작동을 할 염려가 있다.

상기와 같이 아주 정밀한 장비의 방진을 위하여 MR댐퍼를 사용한 방진마운트를 이용하여 반능동제어 방식의 방진시스템을 구성하는 것이 바람직하나, MR댐퍼의 작동시 발생하는 전자기장 또는 자기장의 영향을 최소화할 수 있는 새로운 형태의 방진마운트가 요구된다.

전자기장과 자기장의 경우 각각 그 투과하는 성질이 다르므로, 상기 방진마운트는 전자기장 차폐수단과 자기장 차폐수단을 동시에 구비하여야 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하고자 본 발명에서는 MR댐퍼를 구비한 방진마운트는 에어스프링의 하부에 공기통을 부가하여 에어스프링이 항상 일정한 힘으로 장비를 지지하게 하고, 전자기장 및 자기장 차폐장치를 구비한 MR댐퍼를 공기통의 내부에 결합하는 형태로 하였다.

차폐장치에서 자기장차폐장치는 투자율이 높은 재료인 순철을 바닥이 있는 원통형상으로 제작하여 내부에 자기장을 인가하는 코일이 삽입될 수 있도록 하였고, 전자기장차폐장치는 전기 양도체 재료인 알루미늄 또는 동을 원통형상으로 제작하여 그 내부에 자기장차폐장치가 장입될 수 있게 하였다.

본 발명인 MR댐퍼를 사용한 방진마운트는 종래의 MR댐퍼를 사용한 방진마운트와 진동제어와 관련된 기능은 동일하고, MR댐퍼 작동시 발생되는 자기장과 전자기장은 완벽하게 차폐되어 주변 정밀 기기의 작동을 방해하지 않는다.

본 발명인 MR댐퍼를 사용한 방진마운트는 등록번호 10-0811828호 "ＭＲ댐퍼를 이용한 고정밀장비 방진용 모션컨트롤러 및 이를 이용한 운동제어시스템"의 청구항 1 및 청구항 2에 기재된 모션컨트롤러에 관한 특허발명을 개량한 발명으로서, 상기 등록특허발명의 구성에서 댐퍼를 특수하게 개량한 발명이다.

본 발명의 MR댐퍼를 사용한 방진마운트의 구성은 도 2에 도시한 바와 같이, 장비가 설치될 부위의 바닥에 고정되는 공기통(10), 상기 공기통의 상면에 결합되는 에어스프링(20), 상기 공기통과 에어스프링의 내부공간 중심부에 결합되는 댐퍼(30), 그리고 상기 댐퍼에 삽입되고 방진대상 장비에 결합되어 장비의 하중을 방진마운트로 전달하는 지지봉(40)으로 구성된다.

공기통(10)은 상부가 뚫린 원통 형상으로서, 장비가 설치될 부위의 바닥에 고정되는 바닥판(11), 상기 바닥판의 상면에 부착되는 측면원통(12), 상기 측면원통의 상단에 부착되는 공기통플랜지(13), 그리고 상기 측면원통에 결합되는 공기주입구(14)로 구성된다. 상기 바닥판(11)의 가장자리에는 공기통(10)을 바닥에 앵커볼트 등으로 고정할 수 있는 고정구멍이 다수 개가 뚫려 있다.

에어스프링(20)은 통상의 에어스프링과 유사하게 구성되는데, 유연한 고무막 으로 제조되는 벨로우즈(21), 상기 벨로우즈의 상단과 하단에 결합되는 벨로우즈 플랜지(22)로 구성된다. 벨로우즈(21)의 양단에는 턱을 형성하여 벨로우즈플랜지(22)에 형성된 홈에 물리게 하여, 내부에 충진된 공기가 누설되지 않게 한다. 그리고 상하 벨로우즈플랜지(22)의 외면에는 오링, 개스킷 등의 밀봉재(23)가 설치될 수 있는 홈이 형성된다.

통상의 에어스프링은 벨로우즈의 양단에 플랜지를 부착하고, 플랜지에 장비와 바닥에 고정하기 위한 고정볼트구멍과 공기주입구 등을 구비하도록 제작되는데, 본 발명의 에어스프링(20)은 통상의 에어스프링의 양측 플랜지의 중심부에 충분한 크기의 구멍을 뚫어 벨로우즈플랜지를 형성하고, 벨로우즈플랜지의 외면에 밀봉재를 설치할 수 있는 홈을 가공하는 방법으로 제작할 수 있다.

댐퍼(30)는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 공기통(10)과 에어스프링(20)의 내부공간에 결합되는데, 상기 공기통(10)의 바닥판(11)에 고정된다. 이 댐퍼(30)는 외통(31)과 내통(32), 상기 내통(32)의 내부에서 상하로 운동하는 피스톤(33), 상기 피스톤의 중심부에 결합되는 로드(34), 상기 로드의 상단에 부착되는 막음판(35), 내통의 내부에 장착되는 코일뭉치(36), 그리고 내통의 내부에 충진되는 MR유체(37)로 구성된다.

외통(31)은 바닥이 막힌 용기인 몸체(311)와 상기 몸체(311)의 상단을 덮는 덮개판(312)으로 구성되고,덮개판(312)의 상단에는 연장관(313)을 구비하는 것이 좋다. 덮개판(312)의 중심부에는 구멍이 형성되어 있어서 상기 로드가 관통된다. 연장관(313)을 구비하면 내부에 충진된 MR유체(37)가 넘치는 것을 방지할 수 있다. 상기 외통(31)은 알루미늄, 알루미늄합금, 동, 또는 동합금으로 제작하는데, 이와 같이 외통(31)을 알루미늄, 알루미늄합금, 동, 또는 동합금으로 제작할 경우 전자기파가 차폐되어 외부로 누설되지 않는다.

내통(32)는 상기 외통의 내부에 장착되는 것으로서, 내통(32)의 내부 측면에는 코일뭉치(36)이 결합될 수 있는 홈이 형성되어 있다. 내통(32)은 일체로 제작할 경우 코일뭉치(36)의 결합이 어려우므로, 상하 또는 좌우 2부분으로 나누어 제작하고, 코일뭉치(36)을 장착한 후 두 부분을 결합하는 방식으로 제작하는 것이 좋다. 내통(32)은 투자율이 높은 순철로 제작하는데, 이와 같은 순철은 자기장을 차폐하여 외부로 누설되지 않게 한다.

피스톤(33)은 상기 내통(32)의 내부에서 상하로 운동을 하는 판으로서, 중심부에는 로드(34)가 결합되고, 판의 면에는 오리피스(331)가 가공되어 있을 수 있다.

로드(34)는 상기 피스톤(33)의 중심부에 결합되고, 중심축의 상단에는 구멍이 형성되어 있다.

막음판(35)은 상기 로드(34)의 상단에 부착되고, 상기 에어스프링(20)의 상단의 벨로우즈플랜지(22)에 결합된다.

코일뭉치(36)는 상기 내통(32)의 내부에 장착되고, 전기가 흐를 경우 자기장을 형성한다. 이 코일뭉치(36)은 절연된 전선을 여러 번 감아 코일형상으로 제작한 것으로서, 양단의 전선이 외부로 유출되어 전기를 공급받는다. 코일의 중심 구멍으로는 상기 피스톤(33)이 왕복하게 되므로, 피스톤이 원활하게 운동할 수 있도록 전 선을 경질의 파이프에 감아 제작하는 것이 좋다.

MR유체(37)는 상기 내통(32)의 내부에 충진되는데, 자기장의 영향을 받아 점도가 상승하는 유체이다.

지지봉(40)은 방진대상 장비에 결합되어 장비의 하중을 상기 에어스프링(20)과 댐퍼(30)로 전달하는 기능을 하는 것으로서, 방진대상 장비에 결합할 수 있는 고정구멍을 가진 지지판(41)의 중심부에 봉(42)이 결합된다. 봉(42)은 상기 댐퍼(30)의 로드(34) 상단에 형성된 구멍에 삽입되어 결합되는데, 봉(42)의 끝단은 구면으로 가공되어 지지봉의 회전운동을 자유롭게 하는 것이 좋다.

상기 방진마운트의 작동은 다음과 같다.

방진대상 장비가 정상적으로 작동할 때는 댐퍼(30)의 코일뭉치(36)에 전기가 공급되지 않고, 이 경우 댐퍼 내부에 충진된 MR유체(37)는 점성이 아주 낮아서 피스톤(33)과 코일뭉치(36)의 틈새 또는 피스톤(33)에 형성된 오리피스로 유체의 유동이 자유로워 댐퍼가 운동에 저항하는 힘을 피스톤에 가하지 않는다. 이 경우 방진대상 장비는 에어스프링(20) 만으로 지지되는 것과 같고, 에어스프링에 의하여 진동이 차단된다. 에어스프링(20)의 하부에는 공기통(10)이 부착되어 있어서 에어스프링(20)이 방진대상 장비의 진동에 따라 변형을 하더라도 에어스프링(20)과 공기통(10)의 내부에 충진된 전체 공기의 압력변화는 작고, 따라서 에어스프링(20)은 스프링상수가 아주 낮은 스프링이 되어 진동차단효과가 큰 방진마운트가 된다.

만약 방진대상 장비가 비정상적인 큰 외부하중에 의하여 일시적으로 큰 진동을 하게 되면, 센서로 이를 감지하여 댐퍼(30)의 코일뭉치(36)에 전기를 공급한다. 코일뭉치에 전기가 공급되면 코일에 의하여 댐퍼(30)의 내부에 자기장이 형성되고, 댐퍼(30)의 내부에 충진된 MR유체는 자기장의 영향을 받아 유체의 점도가 크게 상승한다. 이와 같이 점성이 높은 유체가 피스톤(33)과 코일뭉치(36)의 틈새 또는 피스톤(33)에 형성된 오리피스(331)를 지날 때 큰 점성저항이 발생하여 피스톤의 운동에 저항하여 댐퍼로서의 기능을 한다. 상기와 같이 댐퍼(30)가 댐퍼로서의 기능을 하면 진동체의 진동이 강제로 정지하게 되어 장비가 안정된다.

코일뭉치(36)에 전기가 흐를 때, 코일의 주변에는 강한 자기장과 전자기장이 형성되어 영향권 내에 있는 장비 또는 사람에게 나쁜 영향을 줄 수 있는데, 본 발명의 방진마운트의 경우 자기장은 투자율이 높은 연철로 제작된 내통(32)에 의하여 거의 완벽하게 차폐되고, 전자기장은 전기 양도체로 제작된 외통(31)에 의하여 완벽하게 차폐된다.

본 발명은 반도체, LCD 등의 정밀제조장비와 자기장 또는 전자기장의 영향에 민감한 정밀장비의 방진장치로 사용될 수 있다.

도 1은 통상의 MR댐퍼의 구성도이다.

도 2는 본 발명인 MR댐퍼를 사용한 방진마운트의 구성도이다.

도 3은 댐퍼의 구성도이다.

<중요 구성품 번호>

10 : 공기통, 20 : 에어스프링, 30 : 댐퍼, 40 : 지지봉,

11 : 바닥판, 12 : 측면원통, 13 : 공기통플랜지, 14 : 공기주입구,

21 : 벨로우즈, 22 : 벨로우즈플랜지, 23 : 밀봉재,

31 : 외통, 32 : 내통, 33 : 피스톤, 34 : 로드, 35 : 막음판,

36 : 코일뭉치, 37 : MR유체.

Claims (2)

1. 상부가 뚫린 원통 형상으로서, 장비가 설치될 부위의 바닥에 고정되는 바닥판(11), 상기 바닥판의 상면에 부착되는 측면원통(12), 상기 측면원통의 상단에 부착되는 공기통플랜지(13), 그리고 상기 측면원통에 결합되는 공기주입구(14)로 구성되는, 공기통(10);

   상기 공기통(10)의 상면에 결합되는 것으로서, 유연한 고무막으로 제조되는 벨로우즈(21), 상기 벨로우즈의 상단과 하단에 결합되는 벨로우즈플랜지(22)로 구성되는, 에어스프링(20);

   상기 공기통(10)과 에어스프링(20)의 내부공간 중심부에 결합되는 것으로서, 알루미늄, 알루미늄합금, 동, 동합금 중 어느 하나로 제작되어 상기 공기통(10)의 바닥판(11)에 고정되는 것으로서 바닥이 막힌 용기인 몸체(311)와 상기 몸체(311)의 상단을 덮는 덮개판(312)으로 구성되는 외통(31), 상기 외통(31)의 내부에 장착되는 것으로서 순철로 제작되고 내부 측면에는 하기 코일뭉치(36)가 결합될 수 있는 홈이 형성되어 있는 내통(32), 상기 내통(32)의 내부에서 상하로 운동하는 피스톤(33), 상기 피스톤(33)의 중심부에 결합되는 것으로서 중심축에 구멍이 형성되어 있는 로드(34), 상기 로드(34)의 상단에 부착되는 막음판(35), 상기 내통(32)의 내부에 장착되는 코일뭉치(36), 그리고 내통의 내부에 충진되는 MR유체(37)로 구성되는 댐퍼(30);

   그리고, 상기 댐퍼(30)의 로드(34)의 구멍에 삽입되어 결합되고, 방진대상 장비에 결합되어 장비의 하중을 상기 에어스프링(20)과 댐퍼(30)로 전달하는 기능을 하는 것으로서, 방진대상 장비에 결합할 수 있는 고정구멍을 가진 지지판(41)과, 상기 지지판의 중심부에 결합되어 상기 댐퍼(30)의 로드(34)의 구멍에 삽입되는 봉(42)으로 구성되는 지지봉(40);

   으로 구성되는, 방진마운트.
2. 제1항에 있어서,

   상기 댐퍼(30)의 외통(31)은 덮개판(312)의 상단에 연장관(313)을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는, 방진마운트.

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