KR20160054049A

KR20160054049A - 병렬 운동학적 메커니즘 및 이의 베어링 및 액추에이터

Info

Publication number: KR20160054049A
Application number: KR1020167011867A
Authority: KR
Inventors: 닉 크로글리코프; 타우피큐어 라만; 레비 맥네일; 마이클 모간; 디온 힉스; 메튜 로버츠
Original assignee: 메모리얼 유니버서티 오브 뉴펀들랜드
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2016-05-13
Also published as: KR20150071014A; EP2895755A4; CN104995417A; CA2884541A1; JP6327569B2; IL247205A; EP2895755A1; AU2016201670A1; AU2013315173B2; IN2015DN02392A; IL237651A; WO2014040188A1; CA2920422A1; CA2920422C; JP2015531461A; BR112015005408A2; EP3056228A1; IL237651A0; US20150239082A1; CA2884541C

Abstract

플랫폼의 방향을 제어하는 개량 병렬운동장치는 방향 제어 플랫폼에 자기 결합 볼 조인트를 사용하는 동시에 이 조인트를 작동시키는 개별 선형 액추에이터를 사용하기 때문에 그 체적에 비해 가동범위가 더 넓다. 이 선형 액추에이터는 수정 할배크 배열로 구성된 영구자석에 의하여 생성될 수 있는 자장에 속한 인쇄회로기판(PCB) 기반 음성 코일 액추에이터일 수 있다. 이 PCB 기반 음성 코일 액추에이터에는 PCB에 내장되어 고도의 정확성을 가지고 액추에이터의 위치를 파악하는 것을 보조하는 위치 감지 장치(PSD)가 장치될 수 있다. 방향 제어 플랫폼 탑재물의 위치는 개선된 정확성 및 속도에 따라 역학적으로 재설정될 수 있다.

Description

병렬 운동학적 메커니즘 및 이의 베어링 및 액추에이터{PARALLEL KINEMATIC MECHANISM AND BEARINGS AND ACTUATORS THEREOF}

전자기계적으로 제외되는 정착 플랫폼은 사진술, 트래킹, 로봇공학, 제조 등, 공구의 조작 및 방향 제어에 있어서 정확성, 가동범위 및 반응성이 바람직하거나 필요한 여러 분야에서 다양한 용도로 사용된다.

현재 사용되고 있는 운동 장치들의 한계는 베어링의 가동범위, 액추에이터의 반응성, 개량 부품을 조작하도록 조정된 제어기, 그리고 특정 광 기계 전자공학적 응용의 필요에 적합하도록 고안된 장치에 대한 소망에서 비롯된다. 더 나아가, 기존 장치들은 크기, 중량, 소비전력 (즉, SWAP 요건), 그리고 특정 응용을 위하여 고객이 요구할 수 있는 장치의 신뢰성과 관련된 추가적 한계를 해결하지 못할 수도 있다.

베어링에 있어서, 종래의 3자유도(구형) 볼 조이트 및 로드 엔드 베어링은 세 가지 주요 결점이 있다: (1) 각운동 범위가 제한되어 있고, (2) 흔히 상당히 큰 백래시 (Backlash)가 있기 때문에 정확성에 악영향이 미치며, (3) 흔히 상당한 마찰이 있기 때문에 동적 성능에 악영향이 미친다.

이러한 결점은 소형 정밀 병렬운동장치 (Parallel Kinematic Mechanism-PKM)에 있어서 종래의 볼 조인트의 효용을 제한한다. 이는 가동범위, 정확성 및 동적 반응이 중요한 광 기계 전자공학적 응용에 있어서 더욱더 그렇다. 예를 들어, 전형적인 소형 로드 엔드 베어링의 각운동 범위는 20도로 제한되어 있으며, 시판중인 볼 조인트는 가동범위가 통상적으로 35도로 제한되어 있다. 이러한 제한된 가동범위는 카메라가 특정 관심 영역을 능동적으로 지향하는 능동적 비전 시스템 등의 광 기계 전자공학적 응용을 위한 병렬운동장치의 설계에 있어서 중대한 제한 요소가 된다.

백래시 (Backlash)도 시판 중인 볼 조인트의 또 다른 중요한 문제이다. 기존 시스템에서는 백래시를 최소화하기 위하여 로드 엔드 베어링을 예압하는 데 인장 스프링이 사용될 수 있다. 스프링을 추가하면 링크 간섭이 발생할 가능성이 높아진다.

액추에이터에 있어서, 음성 코일 (즉, 선형 전동) 액추에이터는 전기적 입력 신호에 반응하여 정확한 힘을 발생시키는 단순한 전자기계 장치이다. 근본적으로 이 장치는 고정된 자장 (고정식 영구자석에 의하여 생성될 수 있는) 내에서 움직이는 비정류 단일 코일 또는 권선으로 구성된 가장 단순한 형태의 전동기이다. 시스템 설계의 관점에서 볼 EO, 음성 코일 액추에이터를 선형 베어링 시스템, 위치 피드백 장치, 스위치형 또는 선형 서버증폭기, 동작제어기 등과 연결하는 것은 일반적으로 최종사용자의 책임이다. 복수의 개별 부품을 통합하면 시스템 신뢰성에 악영향이 미치며 최소화 및 포장이 어려워진다. 특히 복수의 액추에이터가 필요할 경우에는 더욱더 그렇다. 음성 코일 액추에이터의 이동질량도 흔히 설계 제한 요소가 된다. 병렬운동장치, 특히 광 기계 전자학적 응용에 있어서, 액추에이터의 이동질량을 줄이는 한편 힘-전류 비용 (힘의 상수)을 높여 가동범위를 늘림으로써 액추에이터의 동적 반응 및 정확성을 개선할 필요가 있다.

탑재물의 구형 운동을 실현할 수 있는 종전의 운동학적 구조들 (즉, 잘 설정된 링크 및 조인트 배열)에 있어서, 이 중 일부는 링크 및 조인트의 병렬 배열 덕분에 고도의 정확성과 동역학을 제공할 수 있다. 그러나 이와 같은 다른 설계들은 더 낮은 부하 용량, 더 느린 동적 반응, 더 낮은 정확성을 나타내며, 작은 체적 내에서 큰 가동 범위를 실현할 수 없다.

뮌헨공과대학교 (Technical University of Munich)의 Thomas Villgrttner 등은 유사한 운동학에 입각한 방향 제어 플랫폼의 시제품을 제작한 바 있다. 그러나 본 발명의 신형 액추에이터 및 개량 볼 조인트가 없기 때문에 가동범위와 동적 반응이 제한되었다.

Jingqing Han이 제안하였고 "Fromm PID to Active Distrubance Rejection Control" (IEEE Trans. Ind. Elec., Vol. 56, No. 3, March 2009, pp 900-906; 비특허문헌 1)에 요약 기술된 바 있는 일반화된 제어기 알고리즘은 모든 동적 시스템의 추적 제어에 응용될 수 있으며, 실제로 몇몇 경우에 둥동 장치에 사용되기도 하였다. 그러나 "IEEE Transactions on Control Systems Technology" (Vol 12, No 3, May 2004; 비특허문헌 2)에 발표된 연구 논문에서 이 제어기 알고리즘은 스튜어트 플랫폼의 추적 제어를 위하여 PC를 사용하는 소프트웨어로 구현되었으나 (논문 제목: Disturbance-Rejection High-Precision Motion Control of a Stewart Platform) 이용 가능한 액추에이터의 동역학을 활용할 수 있을 만큼 제어기의 속도가 충분하지 않다고 보고된 바 있다.

이제 병렬운동장치 및 그 부속품의 여러 가지 개량에 대하여 설명하겠다.

베어링에 있어서, 본 출원서에 제시 및 기술된 자기 결합 볼 조인트는 다음과 같은 3종의 부품으로 구성된 어셈블리이다: (1) 전형적으로 원통형인 소형 영구자석 (현존하는 영구자석 중 가장 강력한, 네오디뮴을 사용한 것), (2) 철계 소재 (철계 스테인리스강 등) 로 제작한 볼 및 이 볼을 관련 장치에 고정하는 데 사용될 수 있는 원통형 로드, (3) 한 편에 자석이 장치되어 있고 반대편에 구의 단면처럼 생긴 볼 수용 동공이 있는 소켓/베이스/분리기. 한 실시예에서 소켓/베이스/분리기는 고강서, 저마찰 및 체적 안정성을 위하여 정밀 부품에 사용되는 공학용 열가소성 수지인 폴리옥시메틸렌 (또한, 알려진 아세탈, 폴리아세탈 및 포름알데히드라고도 함)으로 제작된 것이다.

엑추에이터에 있어서, 종래의 가동코일 대신 필요한 권선이 기판에 트레이스로 내장된 인쇄회로기판 (PCB)을 사용하는 저관성 음성 코일 설계가 기술되어 있다. 엑추에이터의 제어는 코일 위치에 대한 정확한 정보를 요한다. 한 실시예에서 위치 피드백 장치, 구체적으로는 1차원 위치감지장치 (PSD)가 PCB에 직접 결합될 수 있다. 위치 제어에 대한 다양한 공차는 설계에 의하여 결정될 수 있다. 미크론 단위의 위치 분해능 뿐만 아니라 신호 조정 및 동작 제어 전자장치도 선형 액추에어터 상에서 통합될 수 있으며, 이는 표면실장기술(SMT)을 사용하는 동일 PCB상에서도 가능하다 (반드시 그런 것은 아님.)

통합 위치 감지 전자 장치가 장치된 PCB 기반 음성 코일의 전형적인 응용을 들자면 (1) 단일 슬라이딩 장치의 작동을 위한 선형 전동기, (2) 탁재물을 이동시키고 그 방향을 제어할 수 있는 복수의 베어링 소자를 복수의 상기 형태의 액추에이터가 제어할 수 있는 병렬운동장치에서의 사용, (3) 미세 전자기계장치 (MEMS) 센서의 보정 등이다.

다음과 같은 특징은 통합 위치 감지 전자 장치가 장치된 PCB 기반 음성 코일을 개별적 및 집합적으로 차별화한다: (1) PCB 상에 전도성 트레이스로서 음성 코일의 권선의 제조는 제작을 용이하게 하고, 질량을 줄이며, 기타 장치 소자의 작동매체를 제공하고, (2) 동일 PCB에 다중 권선층을 사용함으로써 액추에이터의 힘의 상수를 증가시키고, (3) 수정 할바크 (Halbach) 영구자석 배열을 사용함으로써 평판형 PCB 기반 권선의 주변에는 더 강력한 자장을 생성하는 한편 액추에이터 외부의 자장은 억제하고, (4) 1차원 위치감지장치 (PSD) 또는 기타 피드백 장치를 음성 코일 액추에이터의 PCB와 통합함으로써 작동 가능한 기계 장치의 대량생산을 단순화하며 기타 장치와의 통합을 용이하게 하고, (5) PCB에 신호 조정 및 동장 제어 전자 장치를 장치할 수 있기 때문에 설계의 견고성이 향상되며, 선형 액추에이터가 필요할 경우에 그 채택이 용이해진다.

상기한 자기 결합 볼 조인트를 작동시키는 상기의 PCB 기반 선형 애구에이터를 사용함으로써 병렬 운동장치는 최고 6자유도의 범위 내에서 (그림의 PKM은 3차유도로 제한되어 있음) 신속한 동적 반응, 고도의 정확성 및 고도의 신뢰성으로 탑재물을 이동시키고 그 방향을 제어할 수 있다. 의도된 응용에 있어서, 탑재물은 다양한 방향을 지향하거나 다양한 방향으로 움직여야 하는 카메라, 레이저, 거울, 아테나, 레이지파인더, 통신 장치, 광학 조립체 (망원조준경 등) 또는 센서의 형태를 취할 수 있다. 본 출원서에 기술된 PKM은 3회전자유도 내에서 고도의 정확성으로 탑재물의 방향을 제어할 수 있는 위치 지정 장치이다. 또한, 동 운동 장치는 매우 빠른 운동을 제공하며 시제품의 물리적 체적 대비 가동 범위가 큰 것이 그 특징이다. 종래의 위치 지정장치 (예컨대 짐벌기구 등)와는 달리, 본 PKM은 3개의 선형 액추에이터를 채택하여 탑재물의 구형 운동 (고정된 중심을 축으로 한 운동)을 실현한다.

이와 같이 구형으로 방향을 제어하는 플랫폼은 (1) 위치 지정 장치를 사용하여 레이저를 조작하는 원격 환경에 대한 스마트 레이저 스캐닝 (무관한 데이터의 최소화를 위한 선택적 스캐닝), (2) 위치 지정 장치에 장착된 카메라를 사용한, 고속으로 움직이는 물체의 추적 및 촬영, (3) 항공기 등 고속으로 움직이는 표적에 레이저 레인지파인더를 조준하는 비행시간 범위 검출장치, (4) 자유공간 광통신 (FSOC)의 구현 등의 다양한 응용에 사용될 수 있다.

한 실시예에서 본 출원서에 기술된 개선은 음성 코일 선형 액추에이터에 의하여 작동되는 1개 이상의 링크와 연결된 탑재물이 이송하는 방향 제어 플랫폼이다. 또 다른 실시예에서 동 링크에는 자기결합 로드 엔드 베어링에 의하여 형성되는 1개 이상의 구형층이 포함되어 있다. 또 다른 실시예에서 동 PKM에는 각각 PCB 기반 음성 코엘 액추에이터에 의하여 작동되는 3개의 링크가 있는 플랫폼이 포함되며, 동 링크는 슬라이딩 조인트 (액추에이터), 즉 액추에이터에 장치된 구형 조인트로 구성되어 있고, 동 플랫폼은 로등 의하여 방향 제어 플랫폼 상의 구형 조인트와 연결되어 있다. 더 나아가 동 방향 제어 플랫폼은 일곱 번째 구형 조인트에 의하여 PKM 내의 고정 지점과 연결되어 있다. 동 구형 조인트는 본 출원서에 기술된 바와 같이 우선적으로 자기 결합 볼 조인트/로드 엔드 베어링의 다양성을 가지고 있다. 액추에이터는 본 출원서에 기술된 바와 같이 우선적으로 PCB 기반 음성 코일 선형 액추에이터의 다양성을 가지고 있다. 액추에이터의 선형 운동은 설계상의 병렬 운동 구조에 입각한 관계에 따라 방향 제어 플랫폼의 각운동으로 전환된다.

Jingqing Han의 일반화된 알고리즘에 기반을 둔 디지털 제어기가 병렬운동장치 및 선형 액추에이터에서 구현되어 있다. 병렬 전산법을 사용하는 제어기의 구현 및 FPGA (Feild-Programmable Gate Array), CPLD (Complex Programmable Logic Device) 등 전자 장치에서의 하드웨어 구현은 액추에이터 반응 시간에 따른 제어기 반응 시간의 실현에 있어서의 종래의 결점을 극복한다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점 들을 고려하여 발명한 것으로서, 그 목적은 자기 결합 볼 조인트를 작동시키는 상기의 PCB 기반 선형 액추에이터를 사용함으로써 병령 운동장치는 최고 6자유도의 범위 내에서 (그림의 PKM은 3자유도로 제한되어 있음) 신속한 동적 반응, 고도의 정확성 및 고도의 신뢰성으로 탑재물을 이동시키고 그 방향을 제어할 수 있고, 의도된 응용에 있어서, 탑재물은 다양한 방향을 지향하거나 다양한 방향으로 움직여야 하는 카메라, 레이저, 거울, 안테나, 레인지파인더, 통신 장치, 광학 조립체 (망원 조준경 등) 또는 센서의 현태를 취할 수 있는 병렬 운동학적 메커니즘 및 이의 베어링 및 액추에이터를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 병렬 운동학적 메커니즘 및 이의 베어링 및 액추에어터는 로드 엔드 베어링 둘레를 회전하는 추가적 링크에 부착될 수 있는 로드(12)와 연결된 철계 구형 볼(11), 구형 볼(11)을 제자리에 유지해주는 자석(16), 그리고 볼(11)에 들어맞도록 하고 볼(11)과 자석(16) 사이의 마찰분리를 최소화하기 위하여 구의 단면처럼 생긴 공동(14)이 있는 베이스/소켓/분리기(13)를 가진 로드 엔드 베어링(10)으로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 (1)PCB 상에 전도성 트레이스로서 음성 코일의 권선의 제조는 제작을 용이하게 하고, 질량을 줄이며, 기타 장치 소자의 작동 매체를 제공하고, (2) 동일 PCB에 다중 권선층을 사용함으로써 액추에이터의 힘의 상수를 증가시키고, (3) 수정 할바크 (Halbach) 영구자석 배열을 사용함으로써 평판형 PCB 기반 권선의 주변에는 더 강력한 자장을 생성하는 한편 액추에이터 외부의 자장은 억제하고, (4) 1차원 위치감지장치 (PSD) 또는 기타 피드백 장치를 음성 코일 액추에이터의 PCB와 통합함으로써 작동 가능한 기계 장치의 대량생산을 단순화하며 기타 장치와의 통합을 용이하게 하고, (5) PCB에 신호 조정 및 동작 제어 전자 장치를 장치할 수 있기 때문에 설계의 견고성이 향상되며, 선형 액추에이터가 필요할 경우에 그 채택이 용이해지는 장점이 있다.

도 1은 재하 상태의 자기 로드 엔드 베어링의 한 구현예의 분해 사시도,
도 2는 도 1의 자석과 철계 볼 사이의 이격 거리를 나타낸 로드 엔드 베어링의 측면 분해도,
도 3은 PCB 기반 음성 코일 액추에이터의 한 실시예의 도해를 나타낸 사시도,
도 4는 도 3의 PCB 기반 음성 코일 선형 액추에이터의 실시예의 분해 사시도 (케이블, 리벳 및 커넥터 제거),
도 5는 본 발명의 선형 PCB 기반 음성 코일 액추에이터와 병용되도록 설계된 또 다른 PCB 평면 사진으로서, PCB의 1 개 이사의 층의 좌우에 이중 직사각형 나선으로 새겨진 권선을 보여준다.
도 6은 도 5에 나타낸 PCB 설계의 권선과 병용할 수 있도록 조정된 수정 할 바크 배열의 자속 도해이다.
도 7은 본 발명의 PCB 기반 음성 코일 선형 액추에이터와 병용할 수 있도록 설계된 PCB의 또다른 권선 설정을 나타낸 평면 사진으로서 PCB에 직사각형 나선 패턴으로 새겨진 권선을 보여주며, 이 패턴은 PCB 내의 여러 층에서 반복될 수 있다.
도 8은 도 7에 나타낸 PCB 설계의 권선과 병용할 수 있도록 조정된 수정 할바크 배열의 자속 도해이다.
도 9는 액추에이터들이 완전 삼각 배열을 이루고 있고, 방향 제어 플랫폼이 액추에이터의 운동과 직각을 이루고 있는 병렬운동장치 방향 제어/위치 지정 장치의 사시도,
도 10은 도 9의 방향 제어/위치 지정 장치의 평면도,
도 11은 도 9의 방향 제어/위치 지정장치의 측면도,
도 12는 액추에이터들이 Y자 배열을 이루고 있는 병렬운동장치 방향 제어/위치 지정 장치,
도 13은 액추에이터들이 서로 엇갈리는 사각 배열을 이루고 있는 병렬 운동장치 방향 제어/위치 지정 장치의 사시도,
도 14는 왼쪽은 PKM 모형의 3-P-S-S/S 구조의 라인 드로잉 도식을 오른쪽은 이 라인 드로잉을 3차원으로 나타낸 것이다.
도 15는 도 13의 병렬운동장치 방향 제어/위치 지정 장치의 또 다른 사시도,
도 16은 레이저 다이오드 위치 센서가 장치된 PCB 기반 음성 코일 선형 액추에이터의 또 다른 실시예의 분해 사시도이다.

이제 본 발명 병렬운동장치의 한 가지 이상의 선호 구현에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 기술하겠다.

도 1 및 2는 베어링 또는 볼 조인트의 개량과 관련된 것이다.

도 1은 로드 엔드 베어링 둘레를 회전하는 추가적 링크 (도시하지 않음)에 부착될 수 있는 로드(12)와 연결된 철계 구형 볼(11), 구형 볼(11)을 제자리에 유지해주는 자석(16), 그리고 볼(11)에 들어맞도록 하고 볼(11)과 자석(16) 사이의 마찰분리를 최고화하기 위하여 구의 단면처럼 생긴 동공(14)이 있는 베이스/소켓/분리기(13)를 가진 로드 엔드 베어링(10)의 한 예를 나타낸 것이다. 자석(16)에 들어맞는 적합한 형태의 동공(17)이 설치될 수도 있다. 간격(15)이 볼(11)과 자석(16)을 분리하며, 동 스페이스는 조인트의 연결상태가 사용 중에 계속 유지되도록 할 수 있을 정도로 작게 설계되어 있다.

구형 볼(11)은 자석(16)에 의하여 제자리에 고정되므로, 볼과 맞물리는 베으스(13)의 구형 공동(14)은 3자유도에서 180도를 초과하는 운동을 제공하는 반구보다 작게 만들어질 수 있다. 로드 엔드 베어링(10)을 효과적으로 예압하기 때문에 외부적 스프링을 사용하지 않고도 백래시를 0으로 줄여준다. 마지막으로, 볼과 접촉하는 베이스(13)의 저마찰 표면이 바람직하므로 베이스 전체가 폴리옥시메틸렌으로 만들어진 것일 경우, 구형 볼(11)에 대한 저마찰 표면이 내재한다. 베이스(13)가 폴리옥시메틸렌으로 만들어진 것이 아닐 경우 분리기와 볼 사이에 또 다른 자동윤활 또는 저마찰 표면이 사용되어야 한다. 동공(17)을 위한 동공과 동공(14)을 위한 동공의 하단 사이의 이격 거리 간격(15)을 조정함으로써 장치 전체를 지탱해 주는 마찰력과 볼을 베이스로부터 분리하는 데 필요한 힘 사이에 설계적 절충이 이루어질 수 있다. 도 2는 분해된 부품들의 또 다른 모습을 보여준다.

로드 엔드 베어링(10)은 정밀 컴퓨터 수치제어(CNC) 선반을 사용하여 단일품으로 제작할 수 있다. 이에 대한 하나의 대안은 전체적인 현태가 똑같이 정밀 툴링볼을 구매하는 것이다 (툴링볼은 기계 계측에서 빈번하게 사용된다). 베이스 (분리시 소자)와 볼 사이의 구형 동공도 정밀 CNC 선반ㅇ르 사용하여 제작할 수 있다. 베이스의 정확한 외형은 관련 장치의 통합을 용이하게 할 수 있도록 수정될 수 있으며, 자석을 위한 동공도 제공될 수 있으나 이는 그다지 중요하지 않다.

이와 같이 본 발명의 자기 결합 볼 또는 로드 앤드 베어링 (10)은 몇 가지 가능한 장점을 제공한다: (1) 큰 각운동 범위, (2) 설계상의 내재적인 조인트 예압에 의한 0에 가까운 백래시, (3) 저마찰, (4) 매개변수로서의 예압 마찰의 제어. 이와 같은 특징이 있는 조인트는 넓은 가동범위, 고정확성 및 고반복성, 빠른 동적 반응 등을 갖춘 병렬운동장치 (PKM)의 설계에서 다양하게 응용된다. PKM은 광 기계전자학적 응용에서 갈수록 많은 인기를 얻고 있다. PKM은 그 독특한 운동학적 구조 때문에 동영학적 효율성은 높고 기계적 부담은 적을 뿐만 아니라 양호한 견고성 특징과 우수한 기능적 정확성을 유지한다. 이와 같은 여러가지 장점에도 불구하고 지금까지 광범위한 사용을 가로막고 있었던 주요 제한 요인의 하나는 조인트의 제한된 각운동 범위이며, 본 발명의 자기 결합 볼 조인트가 이 문제를 해결해준다.

도 3, 4, 5, 6, 7 및 8은 아래의 여러 실시예에 기술된 병렬 운동 방향 제어 장치 등의 다양한 응용에서 사용될 수 있는 음성 코일 액추에이터의 개량과 관련된 것이다.

도 3은 하우징(31)의 자석(32)의 방향을 제어하여 PCB(34)의 선형 운동이 이루어지게 하는 하우징(31)의 동공 내에 위치한 PCB(34)의 권선을 따라 강력한 자장을 형성하는 PCB 기반 음성 코일 액추에이터(30)의 사시도이다. PCB(34)의 권선에 전류가 흐르면, 자석(32)에 의하여 형성된 자장이 PCB(34)상에 힘을 발생시킨다. 적절한 자장과 권선을 이용하면 PCB(34)가 형성된 자장 내에서 선형 가속될 수 있다. PCB(34)에 장치된 전자 제어장치(26)는 하우징(31)에 장치된 전자 제어장치(37)와 연결되어 권선에 전류를 공급하는 한편, 본 실시예에서는 나타내지 않았으나 회로기판 표면에 장치된 기타 기술 장치에 동력을 공급하고 교신한다.

도 4는 도 3의 PCB 기반 음성 코일 액추에이터(30)의 분해 사시도이다. 하우징(31) 맞은편에 영구자석 세트가 수정 할바크 배열의 자석(32)을 이루고 있다. 레이 가이드(39)를 따라 설치된 레일(38)은 하우징 내에서 전진 또는 전기자(33) 쪽으로 상승하거나 후진 또는 하단 쪽으로 하강하는 PCB(34)의 선형 운동의 유지를 보조해 준다. PCB(34)에 장치된 전자 제어장치(36)는 권선(40)에 동력을 공급한다. 전위 권선(44)의 전류는 수정 할바크 배열의 자석(32)의 전위의 자석 세트(42)에서 생성되는 자장과 주로 상호작용한다. 후위 권선(45)의 전류는 반대 방향으로 흐르고, 후위의 자석 세트(43)에서 생성되는 자장과 주로 상호작용하므로 권선에서 발생하는 힘은 동일한 전류장에 대하여 배가된다. PCB(34)의 글롯(41)은 추가적 구조소자 (자기 분리기, 추가적 가이드 또는 차단기 등-그림에 표시되지 않음)가 설계에 포함되도록 해줄 수 있다.

도 5는 PCB(50)상의 권선 구성의 한 예를 나타낸 것으로서, PCB(50) 중심선 좌우에 각각 위치한 두 세트의 권선(51, 52)의 중간 위치에 커넥터(53)와 연결된 회로망에 의하여 전류가 같은 방향으로 흐르도록 유도될 수 있는 전도성 트레이스 세트(54; 도선)가 설정되어 있다.

도 6은 PCB 기반 음성 코일 선형 액추에이터의 하우징(60) 내, 채널(64) 아래 위의 영구자석(61, 62)의 한 배열을 나타낸 것으로서, PCB가 도 5의 권선 구성에 따라 작동하도록 선택된 수정 할바크 배열로 배열되어 있다. 도 5의 중간 위치의 도선 세트(54)를 따라 PCB 가동범위 내에서 주로 한 방향으로 자장(63)이 형성된다. 왼쪽 권선 세트(51)의 시계 방향 전류와 오른쪽 권선 세트(52)의 시계 반대 방향 전류가 자장(63) 내에서 동일 방향으로 흐르는 전류로서 중간 위치의 도선 세트(54)에 나타나며, 이에 의하여 한 방향의 힘이 유발된다. 이 양쪽 권선 세트(51, 52)에 흐르는 전류의 방향을 전환시키면 반대 방향의 힘이 유발된다.

PCB(50)와 하우징(60) 사이의 상대운동은 선형 액추에이터 자체 내에 통합되어 있는 1개 이상의 PSD로 측정된다. 한 구현예에서 장치의 인접 외부에 형성되는 정자기장은 할바크(Halbach) 자석 배열에 따라 영구자석의 방향을 설정함으로써 줄일 수 있다. 이는 강력하고 상당히 일정한 내부 자장을 형성하는 한편 외부 자장을 0에 가깝게 만들 수 있다. 장치 외부의 자장을 추가적으로 줄이는 데는 차폐물이 사용된다.

도 7은 PCB(70)의 권선/코일의 또 다른 가능한 구성르 나타낸 것으로서, 코일(71) 와인딩에 단일 직사각형 나선 패턴의 트레이스가 사용된다 (PCB 자체 내의 1개 이상의 층에 사용될 수 있다) 슬롯(75) 쪽 구혁(73)의 전류가 한 방향으로 흐르고, 슬롯(75)에서 멀리 떨어진 쪽 구역(72)의 전류는 반대 방향으로 흐른다. 자장 내에서 사용될 수 있는 도선의 길이를 최대한 활용하기 위해서는 72구역 및 73구영 주변의 자장이 장치의 작동 범위 전체에 걸쳐 반대 방향이 되어야 한다. 도 8은 하우징(80) 내 영구자석 (82, 83, 84, 85, 86, 88)을 수정 할바크 (Halbach) 배열로 구성하는 방법을 나타낸 것으로서, 각각 5개씩 서로 마주모고 있는 두 세트읜 자석이 자장(87) 생성에 사용된다. 도 8 도선의 72구역 및 73구역과 상응하는 큰 자석 (82, 83, 85, 86)은 권선/트레이스(71)를 마주보는 반대극이 있다. 작은 자석(88)은 큰 자석 사이의 자속의 방향을 제어하는 자체의 극으로 이들을 분리하며, 양쪽에 있는 작은 자석(88)도 자속(87)을 하우징 (80) 내 수정 할바크 배열의 81구역 및 84구역으로 되돌려 보내면서 설계 의도대로 PCB(70)의 72구역 및 73구역과 상응한다.

PCB 내에 1개 이상의 권선층이 있을 경우, 겹을 이루고 있는 층들이 동일한 방향 (시계 방향 또는 시계 방대 방향)을 향하는 것이 중요하며, 따라서 한 층이 안쪽으로 나선을 이루고 있다면 그 다음 층 (전도성 트레이스에서 볼 때)은 바깥쪽으로 나선을 이루고 있어야 한다.

이와 같이 81구역과 84구역 사이에서와 같은 역전 자장은 권선(71)의 두 다른 부분(72, 73)이 동일한 방향의 힘을 발생시킴으로써 액추에이터의 힘의 상수가 배가되도록 한다.

도 7에서 코일(71) 72구역의 전류는 코일(71) 73구역의 전류와 반대 방향으로 흐른다. 그러나 서로 상응하는 81구역과 84구역 사이의 자장의 방향이 도 8의 할바크 배열에 의하여 역전되기 때문에 두 부분에 의하여 발생되는 힘이 동일한 방향으로 작용한다. 도 7 및 도 8의 권선 및 자석의 이와 같은 구성에 있어서, 자장의 증가된 힘이 자장 내 도선의 증가된 길이와 결합되어 힘의 상수를 효과적으로 증가시키며, 이는 중간 위치의 도선 세트만 힘을 발생시킨 도 5의 PCB 및 도 6 자장의 예와 비교할 때 4배에 달한다. 그러나 도 5 및 도 6의 이 실시예는 롱 스트로크(범위) 응용에 더 적합하다. 예를 들어, 도 5 및 도 6에 나타낸 PCB(50) 및 자석배열(60)을 사용하는 선형 액추에이터는 도 7 및 도 8의 PCB(70) 및 자석 배열(80)을 사용하는 유사한 장치에 비하여 3배의 유효 범위를 가질 수 있었다. 후자의 장치는 동일한 전류 및 도선 길이에 대하여 약 4배의 힘을 발생시키지만 그 대가로 작동 범위가 줄어든다. 이에 대한 부부적인 이유를 들자면, 동일한 권선의 양쪽을 사용하는 것이 하나, 선호되는 자석 배열이 또 다른 하나이다.

복수의 권선층 등, 다른 구성도 가능하다. 회로기판에 전자 장치를 장치할 수도 있다. 수정 할바크 배열 대신에 전자석을 사용할 수도 있다.

분석 및 실험적 연구에 따르면, 도 5의 PCB와 같은 트레이스/간격 150미크론, 음성 코일 스트로크 37mm의 3온스 구리 PCB를 기준으로 평가할 경우, 본 액추에이터의 동적 성능 매개변수 (코일 관성, 힘의 상수, 최대 속도 등)는 시판 중인 제품들보다 월등하다. 도 7의 PCB와 같은 트레이스/간격 150미크론, 음성 코일 스트로크 12mm의 3온스 구리 PCB는 동일한 전류에 대하여 약 4배의 힘을 나타낸다.

유사한 기능을 수행하는 상업용 장치들과 차별화되는 PCB 기반 음성 코일 설계를 사용하는 선형 액추에이터의 몇 가지 특징은 다음과 같다: (1) 종래의 가동 코일 대신 필요한 권선이 기판의 1개 이상의 층에 전도성 트레이스로 내장된 PCB를 사용한다. 동 PCB는 이동질량이 낮고 대량생산이 용이하며 소형이다. 코일은 형성된 자장에 대하여 평면 배향을 이루고 있다. (2) 이는 하우징을 따라 평면 자장을 사용하는 것을 가능하게 해주며, 할바크 자석 배열과 반대 방향을 이루게 함으로써 강력한 내부 자장을 형성하고 외부 자장은 최소화할 수 있는 장점도 있다. (3) 1차원 위치감지장치(PSD)를 액추에이터의 PCB에 통합함으로써 운동 제어를 위한 정확한 위치 피드백을 얻을 수 있다. PSD는 비접촉식이고 고도로 장확하며 반응 시간이 빠르다. (4) 트레이스가 내장된 PCB에 신호 조정 및 운동제어 잔자장치가 동합되어 있다.

도 9, 10 및 11은 3개의 선형 액추에이터(92, 97, 102; 위에 기술된 설계에 입각한)를 사용하여 방향 제어 플랫폼(110)을 구동/제어하는 병렬운동장치(90)를 나타낸 것이다. 동공 중심점을 유지하기 위하여 하우징(91)에 비례하는 고정 높이에 방향 제어 플랫폼(11)이 구형 볼 조인트/베어링(112; 상기 설계의 자기 결합 로드 엔드 베이링이 바람직하지만 필수적인 것은 아님)에 의하여 중알 필러/링크(111)와 연결되어 있다. 3개의 선형 액추에이터(92, 97, 102) 상의 PCB(93,98, 103)의 운동은 자기 결합 로드 엔드 베어링 베이스(94, 99, 104) -각각 로드(96, 101, 106)와 연결되어 철계 볼(95, 100, 105)을 수용하는-를 가진 전기자로 구성된 독립 링크를 구동한다. 그림에 나타낸 실시예에서 구형 링크는 도 1 및 2에 나타낸 종류의 자기 결합 로드 엔드 베어링을 사용하여 구현된다. 각 로드(96, 101, 106)와 방향 제어 플랫폼(110)의 연결은 추가적 자기 결합 로드 엔드 베어링(107, 108, 및 109)에 의하여 완성된다. 도면을 보고 추론할 수 있듯, 각 선형 액추에이터(92, 97 및 102)의 구동은 방향 제어 플랫폼의 면을 다른 방향으로 기울이는 효과가 있다. 병렬운동장치(90; PKM)의 하우징(91)은 선형 액추에이터(92, 97 및 102)와 결합되어 큰 삼각형을 이루도록 배치되어 있다.

도 12는 방향 제어 플랫폼(126)을 제어하는 병렬운동장치(120)의 또 다른 구성의 예를 나타낸 것으로서, 선형 액추에이터의 하우징(121)이 선형 액추에이터를 Y자 형태로 구성하고 있다. PCB(122) 상에서 전기자(123)가 자기 결합 볼 조인트에 의하여 로드(124)와 직접 연결되고, 로드(124)는 추가적 자기 결합 볼 조인트에 의하여 방향 제어 플랫폼(126)과 연결된다.

도 13은 병렬운동장치(200)의 또 다른 구성의 예로서, 음성 코일 선형 액추에이터들(209)이 서로 엇갈리는 사각 배열로 작은 삼각형을 형성하도록 베이크(201)가 설계되어 있다. 레이저, 카메라 또는 기타 기구(203)가 장착판/방향제어판(204)의 장착대(202)에 고정된다. 볼 조인트(207)와 로드(208)가 장착판/방향제어판(204)을 전기자(205)와 연결한다. 전기자(205)는 도 9의 실시예에서처럼 길지 않아도 되며, 음성 코일 액추에이터(209) 위쪽으로 도 12의 실시예에서 보다 더 중앙에 위치할 수 있다. 하우징(201)으로부터 연장된 중앙 지주(206)는 장착판/방향제어판(204) 위에서 볼 조인트(207)와 연결된다. 가요 케이블(211)이 각 음성 코일 액추에이터(209)를 내장형 제어기(201)와 연결한다.

*도 14는 슬라이딩층(P)을 형성하여 제1구형층(S-O_B)의 구형 베어링(B₁, B₂, B₃)을 작동시키는 슬라이딩 액추에이터 (A₁, A₂, A₃)로서의 PKM을 나타낸 것으로서, 제1구형층(S-O_B)의 구형 베어링(B₁, B₂, B₃)이 연결 구조로 인하여 제 2구형층(S-O_C)의 구형 베어링(C₁, C₂, C₃)이 상응 운동을 하게 하며, 이 제 2구형층(S-O_C)은 제 3구형층(/S)을 나타내는 고정 구형 링크(0)에 의하여 추가적으로 제약된다. 오른쪽 도면은 더 상세한 3차원 모델을 나타낸 것으로서, 제 1구형층(S-O_B)과 제 2구형층(S-O_C)의 연결구조가 자기 결합 베이스를 통합한다는 것을 알 수 있으며, 글라이딩 액추에이터와 고정 구형 링크(0)는 볼 조인트에 철계 볼을 제공한다.

도 15는 도 13의 PKM을 부품 표시 없이 나타낸 또 다른 사시도이다.

도 16은 선형 액추에이터의 또 다른 실시예의 분해 사시도로서, 음성 코일 PCB(310)의 전면에 레이저 다이오드(311)가, 후면에 선형 베어링 가이드 레일(312)이 장치되어 있다. 음성 코일 PCB(310) 및 레이저 다이오드(311)에 동력을 공급하는 동력 연결부(314)도 장치되어 있다. 여기서 전면 및 우면 방향은 디자인만 설명의 변의를 위한 방향 표현일 뿐으로, 제한적인 의미는 없다. 선형 액추에이터의 하우징은 후위 자석(322)을 수용하는 후위 자석 홀더(320)와 전위 자석(328)을 수용하는 전위 자석 홀더(321)로 구성되어 있다. 음성 코일 PCB(310)의 가이드 레일(312)은 후위 자석 홀더(320)의 선형 베어링 캐리지(313) 내에서 슬라이딩 운동을 할 수 있다. 레이저 다이오드(311)는 전위 자석 홀더(321)에 장치된 위치감지기(325)를 작동시킨다. 선형 액추에이터. 아른 위치 감지 방식이 사용될 수도 있으나, 본 구성은 선형 액추에이터에 의하여 작동되는 베어링의 지향 각도의 정확성과 직결되는 미크론 단위의 위치 정확성을 제공해줄 수 있다. 전자 PCB(324), 신호조건식 PCB(323) 등의 기타 전자 장치를 선형 액추에이터에 직접 장치할 수도 있다. 장치의 조립 후에는 강철 재킷 소자(326)를 자석 홀더에 씌움으로써 자속을 추가적으로 보호 및 유도할 수 있다.

PCB 양면의 수정 할바크 배열 자석(322 및 328)을 따라 형성되는 강력한 자장으로 인하여 액추에이터 하우징이 변형되는 경향이 있다. 이와 같은 변형에 대한 해결책으로 가동범위 전역에 걸치는 슬롯(330)을 PCB에 만들 수 있으며, 이 슬롯과 결합되는 전위 자석 홀더(321)와 후위 자석 홀더(320) 사이의 이격소자(329)는 PCB의 운동을 방해할 수 있는 대규모 변형을 효과적으로 방지할 수 있다. 도 16의 음성 코일 PCB의 이와 같은 특징은 도 7에도 나타나 있다.

전술한 여러 실시예와 장점은 예시일 뿐이므로 본 발명을 제한하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 본 아이디어는 기타 여러 종류의 장치에 손쉽게 응용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 대한 설명은 예시를 위한 것으로 청구의 범위를 제한하지 않으며, 해당 분야의 기술을 보유한 자는 많은 대안, 조정 및 변형을 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

*10: 로드 앤드 베어링 11: 철계 구형 볼
12, 124, 208: 로드 13: 베이스/소켓/분리기
14: 동공 15: 간격
16: 자석 17: 동공
30: PCB 기반 음성 코일 액추에이터 31, 60, 91, 121: 하우징
32: 자석 33: 전기자
34, 50, 70, 93, 98, 103, 122: PCB 36, 37: 전자제어장치
38: 레일 39: 레일 가이드
40: 권선 41: 슬롯
42, 43: 자석 세트 44: 전위 권선
45: 후위 권선 51, 52: 권선
53: 커넥터 54: 전도성 트레이스 세트
62, 62: 영구자석 63: 자장
64: 채널 71: 코일
60, 80: 자석 배열 72, 73:다른 부분
90, 120, 200: 병렬운동장치
92, 97, 102, 107, 108, 109: 선형 액추에이터
94, 99, 104: 로드 엔드 베어링 베이스 95, 100, 105: 철계 볼
96, 101, 106, 208: 로드 110, 126: 방향 제어 플랫폼
111: 중앙 필러/링크112: 구형 볼 조인트/베어링
123: 전기차 201: 베이스
202: 장착대 203: 카메라 또는 기타 기구
204: 장착판/방향제어판 205: 전기자
206: 중앙 지주 207: 볼 조인트
209: 음성 코일 액추에이터 210: 내장형 제어기
310: 음성 코일 PCB 311: 레이저 다이오드
312: 선형 베어링 가이드 레일 313: 선형 베어링 캐리지
314: 동력 연결부 320: 후위 자석 홀더
321: 전위 자석 홀더 322: 후위 자석
323: 신호조건식 PCB 324: 전자 PCB
325: 위치 감지기 326: 강철 재킷 소자
328: 전위 자석 329: 이격소자
330: 슬롯

Claims

다음으로 구성되는 병렬운동장치:
가. 연결된 1개 이상의 링크에 의하여 하우징과 연결되는 방향 제어 플랫폼
나. PCB 기반 음성 코일 선형 액추에이터에 의하여 제어되는 1개 이상의 링크.
제 1항에 있어서, 1개 이상의 링크에 자기 결합 볼 조인트가 포함되는 병렬운동장치.
제 1항에 있어서, 다음과 같은 특징을 가진 병렬운동장치:
가. 방향 제어 플랫폼이 중앙 볼 조인트에 의하여 하우징에 고정되며 3개의 제어 링크에 의하여 제어된다.
나. 각각의 링크에는 제1볼 조인트에 의하여 로드와 연결되고, 로드는 제2볼 조인트에 의하여 방향 제어 플랫폼과 연결되는, 슬라이딩 조인트로서의 PCB 기반 음성 코일 선형 액추에이터가 포함되어 있다.
제 3항에 있어서, 각 제어 링크의 중앙 볼 조인트, 제1볼 조인트 및 제2볼 조인트가 자기 결합 볼 조인트인 병렬운동장치.
제 4항에 있어서, 저마찰 폴리옥시메틸렌 베이스에서 네오디뮴 자석에 의하여 제자리에 고정되는 철계 볼이 각 자기 결합 볼 조인트에 포함되는 병렬운동장치.
제 1항에 있어서, 각각의 PCB 기반 음성 코일 선형 액추에이터에 다음이 포함되는 병렬운동장치:
가. 인쇄회로기판에 1개 이상의 코일을 형성하도록 새겨진 1세트 이상의 트레이스와 직각 방향으로 움직이도록 인쇄회로기판의 채널을 설정하는 액추에이터 하우징
나. 제어 회호와 연결되어 1개 이상의 코일에 전류를 공급할 수 있는 1세트 이상의 트레이스
다. 인쇄회로기판상에서 1개 이상의 코일의 전류와 비례하는 힘을 유발하는, 채널을 가로지르는 자장
라. 제어 회로와 연결되어 인쇄회로기판의 위치 변화를 제어 회로에 전달할 수 있는 인쇄회로기판상의 위치 감지 장치.
제 1항에 있어서, 각각의 PCB 기반 음성 코일 선형 액추에이터에 있어서 다음과 같은 특징을 가진 병렬운동장치:
가. 자장이 제1활동구역, 그리고 주로 제1활동구역과 반대 방향으로 자장이 흐르는 제2활동구역을 형성한다.
나. 트레이스가 1개층 이상의 인쇄회로기판에 단일 직사각형 나선으로 구성되어 있으며, 제1활동구역 내 트레이스의 전류가 제2활동구역 내 트레이스의 전류와 반대 방향으로 흐른다.
제 7항에 있어서, 각각의 PCB 기반 선형 액추에이터에 있어서 채널 양쪽에 할바크 배열로 구성된 영구자석에 의하여 자장이 생성되는 병렬운동장치.