KR100419447B1 - 자동 작동셀 개념으로 작동되는 선형모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지능재료를 이용한 선형 작동기를 구비한 링 또는 장구형상의 작동셀을 다수 연결하여 형성한 작동셀 트레인을 안내로에 간섭치수를 갖고 설치하여 작동셀이 작동되는 않는 상태에서는 항상 고정력이 작용하고 있으며, 전기적 신호를 순차적으로 각각의 작동셀에 인가함에 따라 상기 작동셀이 순차적으로 진행하는 선형모터에 관한 것이다.

특히, 연결하는 작동셀의 개수에 따라 이동속도와 이송력 및 고정력을 간편하게 제어할 수 있는 장점과, 작동셀 트레인을 연속적으로 동작시켜서 먼 거리를 신속하게 이동한 후 목표 위치의 근처에 도달하면 첫 번째 작동셀에 인가되는 전기장을 미세조정하여 나노미터(nm) 단위로 거리를 미세하게 이송시키는 나노이송모터를 구성할 수 있고, 직선의 안내대를 따라 정밀하게 이송할 수 있을 뿐만 아니라 곡선 또는 유연성을 체내의 관과 같은 파이프형 안내로 내에서도 용이하게 이송할 수 있으며, 이송력과 고정력을 발생시키는 장치를 별개로 요구하지 아니함에 따라 설계가 간단하며, 비용이 절감되는 자동 이동셀 개념으로 작동되는 선형모터를 제공한다.

Description

자동 작동셀 개념으로 작동되는 선형모터{HYBRID LINEAR MOTER BASED ON SELF-MOVING CONCEPT}

본 발명은 선형모터에 관한 것으로,

특히, 지능재료로 형성되는 선형작동기를 이용하여 미세한 변위를 제어하면서, 이송력을 생성하는 요소와 고정력을 생성하는 요소를 일체화하여 그 구성을 단순하게 하고, 또한 이송력과 고정력을 크게 하며, 이송속도의 제어가 간편한 선형모터에 관한 것이다.

선형 모터(Linear Motor)라고 하면 자기 부상식 고속 열차를 연상 할는지 모르나 본래 리니어 모터란 다이렉트로 직선 운동을 하는 모터의 총칭이다. 우리 주변에서 사용되고 있는 모터의 대부분은 회전식인데 각종의 가전제품이나 정보 기기에는 여러 곳에서 직선 운동형 모터가 사용되고 있다. 예를 들면 HDD, FDD의 헤드 이송 장치, 프린터, 재봉틀, 편직기, 자동 도어 컨베이어 등에는 리니어 모터가 사용되고 있다. 그런데 단순히 직선 운동만 시키는 것이면 회전형 모터에 기어를 병용하면 된다. 그러나 그 동작의 정밀도, 속도 등의 대한 요구가 높아지면 회전용 모터로는 대응할 수 없게 된다. 그래서 등장한 것이 선형 모터이다. 이모터는 다이렉트로 직선 운동을 하기 때문에 정밀도와 속도가 상당히 높아진다. 선형 모터의 장점은 앞에서도 설명한 바와 같이 다이렉트인 직선 운동이나 고속 작동이 가능한 것 외에 백래시가 없으며, 수명이 길다는 것 등이다. 한편 단점으로는 일반적으로 고가로 되기 쉽다는 것이다.

일반적으로, 인치웜형(inchworm-type)의 선형모터는 긴 이동거리, 반복 정밀도 및 정확도가 높은 특성을 가지기 때문에 그 응용분야가 확대되고 관심도가 매우 높아지고 있다.

이와 같은 종래의 선형모터의 종류로는 고리형상의 작동셀이 중앙을 중심으로 반으로 나뉘어 각각 양측 고리가 파도와 같이 일그러져 압점을 이동하게 하는 방식으로 작동되게 하는 형태의 선형모터와, 이송력을 일으키는 이송장치와 고정력을 발생시키는 고정장치가 별개로 분리 구비되어 압점을 이동하게 하여 작동되게 하는 형태의 선형모터 등이 개발되어 이용되고 있다.

그러나 이와 같은 선형모터의 경우에 있어서, 고리형상의 작동셀이 파도와 같이 기하학적 형상으로 일그러지며 작동하는 선형모터는 작동셀을 기하학적 형상으로 일그러지게 하기 위하여 순차적으로 위상차가 변할 수 있도록 신호를 입력할수 있도록 설계해야 하며, 이러한 설계는 매우 복잡하고 어렵다는 문제를 가지고 있다.

또한, 이송력을 일으키는 이송장치와 고정력을 발생시키는 고정장치를 별도로 구비하여 구성되는 선형모터는 각 장치를 독립적으로 구성하여야 한다는 근본적인 단점을 가지고 있으며, 또한 불충분한 고정력은 결과적으로 선형모터의 이송력 및 이동속도를 감소시키는 원인이 되고 있다.

상술한 종래의 문제점을 극복하기 위해 안출한 것으로서,

본 발명의 목적은 지능재료를 사용하여 이송력을 발생시키는 요소와 고정력을 발생하는 요소가 일체로 구성되는 작동셀을 구성하여, 안내대 내부를 따라 이동하도록 함으로써 자동 작동셀 개념으로 작동하는 선형 모터를 제공하는 것이다.

또한, 자기변형(self-deformation)이 가능한 선형작동기 이용하여 나노미터(nm) 단위의 미세한 변위를 제어할 수 있도록 하고, 다수개의 작동셀을 연결하여 이송력과 고정력을 향상 시키며, 큰 이동속도를 얻을 수 있는 선형모터를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 선형모터의 일 구성요소인 작동셀의 일예를 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예를 도시한 사시도.

도 3a 내지 도 3d는 도2에 도시한 실시예의 작동원리를 도시한 개념도.

도 4는 도2에 도시한 실시예에 인가되는 전기적 신호의 예를 도시한 그래프로서,

도 4a는 반파형의 사인파의 전기신호를 도시한 그래프.

도 4b는 펄스형태의 전기신호를 도시한 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 다른 일실시예를 도시한 개략도.

도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 선형모터의 작동원리를 도시한 개념도.

도 7은 본발명의 선형모터를 구성하는 작동셀의 다른 일예를 도시한 도면으로서,

도 7a는 사시도.

도 7b는 원형단면의 파이프형 안내로에 장착된 상태를 도시한 부분 절단 정면도.

도 8은 상기 도 7에 도시된 선형모터를 유연한 관내 이송에 사용한 예를 도시한 개략적인 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 설명*

100,150 ... 작동셀 110,157 ... 외형 구조물

111 ... 예압 나사 112 ... 연결구멍

121,140... 선형 작동기 122 ... 솔레노이드

152 ... 반 고리형 프레임 155 ... 브라켓

200,250 ... 안내로 210 ... 경계벽

300 ... 링크부재

이를 실현하기 위한 본 발명은,

지능재료를 이용한 선형작동기를 장착하여 작동셀을 구성하고;

다수의 상기 작동셀을 링크부재를 사용하여 직렬로 연결하여 작동셀 트레인을 구성하며;

상기 작동셀 트레인을 안내로에 설치하여 각 작동셀에 순차적으로 전기적 신호를 인가함에 따라 안내로에 가이드 되어 이동하는 것을 특징으로 하는 선형모터를 제공한다.

또한, 상기 작동셀은 원형의 고리형상으로 형성되고 외형 구조물과,

상기 외형 구조물의 중앙을 가로지르게 결합되고, 일 끝단이 상기 외형 구조물과의 접촉을 유지하도록 하는 예압나사에 의해 고정되는 선형작동기와,

상기 외형 구조물에서 예압나사로 결합되는 측의 반대편에 연결구멍을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 선형작동기는 전류의 인가에 따라 발생하는 전기장에 의해 변형되는 압전재료 또는 전류의 인가에 따라 자기장을 발생시키는 솔레노이드를 몸체에 장착함으로써 자기장에 의해 변형되는 자기변형재료를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 안내로는 수평의 바닥레일과, 상기 바닥레일의 양측에 수직으로 돌출형성되어 상호 평행을 유지하는 경계벽으로 구성되며, 또한 직선 또는 곡선의 선형으로 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 작동셀 트레인은 부드러운 이동을 위하여 가능한 한 많은 수의 작동셀을 연결하여 구성하는 것이 바람직하며, 또한, 큰 이송력 및 이송속도를 얻기 위해서도 많은 수의 작동셀로 연결하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 3개 이상의 작동셀로 구성되는 작동셀 트레인은 상대적으로 큰 고정력을 획득할 수 있는 힘(FORCE)모드와, 상대적으로 큰 이동속도를 획득할 수 있는 속도(SPEED)모드로 작동될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 작동셀에 인가되는 전기적 가진신호의 파형은 반파 형태의 사인파 뿐만 아니라 톱니파, 사각파, 사다리꼴 파형으로 인가될수 있으며, 또한 각각 임의의 주기와 지속시간을 가질 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 작동셀은 세개의 반고리형 프레임과, 상기 각각의 반고리형 프레임의 양끝단이 각각 등간격으로 연결되는 두개의 브라켓을 포함하여 형성되는 외형 구조물; 및

상기 두 브라켓 사이에 결합되며, 예압나사에 의해 그 일단이 고정되는 선형작동기를 포함하여 이루어져 장구형으로 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 장구형으로 형성되는 작동셀을 구비하는 선형모터는 원형단면의 파이프형 안내로 내에서 작동될 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 선형모터의 일 구성요소인 작동셀의 일예를 도시한 단면도이며, 도 2는 본 발명에 따른 일 실시예를 도시한 사시도이고, 도 3a 내지 도 3d는 도2에 도시한 실시예의 작동원리를 도시한 개념도이다.

도 4는 도2에 도시한 실시예에 인가되는 전기적 신호의 예를 도시한 그래프로서, 도 4a는 반파형의 사인파의 전기신호를 도시한 그래프이며, 도 4b는 펄스형태의 전기신호를 도시한 그래프이다.

바람직한 일 실시예로서, 도 1 내지 도2에 도시한 바와 같이,

원형의 고리형상으로 형성되는 외형 구조물(110)과,

상기 외형 구조물(110)의 중앙을 가로지르게 결합되고, 일 끝단이 상기 외형 구조물(110)과의 접촉을 유지하도록 하는 예압나사(111)에 의해 고정되는 선형작동기(121)와,

상기 외형 구조물(110)에서 예압나사(111)로 결합되는 측의 반대편에 연결구멍(112)을 형성하여 작동셀(100)을 구성하고;

다수의 상기 작동셀(100)을 링크부재(300)를 사용하여 직렬로 연결하여 작동셀 트레인을 구성하며;

상기 작동셀 트레인을 안내로(200)에 설치하여 각 작동셀(100)에 순차적으로 전기적 신호를 인가함에 따라 안내대(200)를 따라 움직이는 선형모터를 제공한다.

상기 선형작동기(121)는 전류의 인가에 따라 발생하는 전기장에 의해 변형되는 압전재료 또는, 도 1에 도시한 바와 같이,전류의 인가에 따라 자기장을 발생시키는 솔레노이드(122)를 몸체에 장착함으로써 자기장에 의해 변형되는 자기변형재료를 이용하여 형성될 수 있다.

상기 선형작동기는(121)는 전기장 또는 자기장의 형성에 의해 길이방향으로 변형이 발생하는 부재로서 예압나사(111)에 의해 상기 외형구조물(110)에 고정되며, 상기 예압나사(111)는 상기 작동셀(100)의 외형 구조물(110)이 안내로(200)의 경계벽에(210)에 밀착될 수 있도록 가압력을 조절하게 된다.

상기와 같은 구조를 갖는 작동셀(100)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 양측으로 돌출된 경계벽(210)를 갖는 안내로(200)의 중앙부에 다수개의 작동셀(100)을 링크부재(300)로 연결하여 형성되는 작동셀 트레인의 형태로 장착되어 선형모터를 구성하게 된다.

이하 상기한 바와 같이 형성되는 선형모터의 작동을 설명한다.

바람직한 일 예로서, 도 3a 내지 3d는 두개의 작동셀로 구성된 작동셀 트레인을 구비하는 선형모터의 작동을 도시하고 있다.

두개의 작동셀을 포함하여 구성되는 선형모터의 작동은, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 처음 정지 상태에서는 두 작동셀(100)이 평행한 두 경계벽(210)과 간섭치수를 가짐에 따라 외형구조물(110)의 팽창력과 과 양측 경계벽(210)의 압축력이 작용하여 생생되는 고정력에 의해 확고한 정지상태를 유지한다.

상기 작동셀(100)이 전진하기 위해 작동을 시작하면, 우선 도 3b에 도시된 것과 같이, 전진하고자 하는 방향측의 전방 작동셀(100)의 선형작동기(121)에 전기적 신호를 인가함으로써 전기장 또는 자기장을 발생시키고, 이러한 전기장 또는 자기장에 의해 선형작동기(121)가 길이방향으로 길어지게 변형되어 상기 외형 구조물(110)은 타원형으로 변하게 된다.

상기와 같이 외형 구조물(110)이 타원형으로 변하게 되는 작동셀(100)은 고정력을 잃고 이송력을 얻게되어 중심점이 전방으로 이동하며, 뒤쪽에 있는 후방 작동셀(100)은 여전히 압점을 유지해 정지된 상태를 유지하게 된다.

그 후에 전방 작동셀(100)에 인가된 전기적 신호를 해제하고 동시에 후방 작동셀에 전기적 신호를 인가함에 따라, 상기 전방 작동셀은 다시 생성되는 고정력에 의해 압점을 유지하여 정지되는 상태를 유지하고 후방 작동셀(100)이 전기장 또는 자기장의 형성에 의해 타원형으로 변형되어 압점을 잃고 전방 작동셀 방향으로 아동하게 된다. 그 후에 후방 작동셀에 인가되었던 전기적 신호를 해제함에 따라 다시 후방 작동셀(100)은 원상태로 회복되고 압점을 유지하게 되어 정지되는 상태로 됨으로써 한 주기의 이동과정을 형성하게 된다.

상기와 같은 작동을 반복하여 수행하므로 상기 작동셀(100)들은 변형과 회복을 번갈아 반복하며 앞으로 전진하게 된다.

상기한 바와 같이 각각의 작동셀(100)들은 각각 최초 설치 상태에서 간섭치수에 의해 고정력을 구비함으로써 전력 공급이 차단되더라도 정지 상태를 유지할 수 있는 특징을 가지게 되는 것이다.

그리고, 상기 선형작동기(121)에 가해지는 변형력, 즉 길이의 신장율은 인가되는 전기장의 세기에 의해 결정되며, 첫 번째 작동셀에 인가되는 전기장의 세기에 의해 모터의 이송거리를 나노미터 단위로 미세조절할 수 있다. 다시 말하면 나노이송제어를 할 수 있는 특징을 가진다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 그래프는 각각의 작동셀(100)에 구비된 각 선형작동기(121)에 인가되는 전류의 공급상태를 나타낸 것으로, 전방 작동셀(100)과 후방 작동셀(100)의 변형을 결정하는 방식을 알 수 있다.

다시 말하면, 우선 전방 작동셀(100)의 선형작동기(121)에 먼저 사인파의 전기신호를 인가시키고, 상기 전기신호를 차단할 때 뒤쪽 작동셀(100)의솔레노이드(122)에 사인파의 전기신호를 인가시키는 과정을 반복하여 수행하므로써, 연속적으로 자벌레형(worm-type)으로 작동셀 트레인이 이동하게 된다.

그래프에 도시된 바와 같이, 인가되는 전기 신호의 세기를 조절하게되면, 작동셀(100)이 이동하는 거리와 속도를 조절할 수 있다는 것을 알 수 있다.

그리고 도 4b에 도시된 그래프 역시 상기와 같은 방식을 설명하는 것이며, 펄스형태로 인가되는 입력신호의 예를 도시하고 있다. 이러한 펄스형태의 신호는 신호의 세기와 신호가 입력되는 시간을 조절하므로 역시 작동셀(100)의 이동거리와 속도를 조절할 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 다른 일실시예를 도시한 개략도이며, 도 6은 도 5에 도시된 선형모터의 작동원리를 도시한 개념도로서, 각각 세 개의 작동셀을 연결한 작동셀 트레인을 구비하는 선형모터의 구성 및 작동을 개략적으로 도시하고 있다.

이러한 구성을 갖는 선형모터 역시, 이를 구성하는 각각의 작동셀은 상기 설명된 것과 같은 작동방식에 의해 작동된다.

또한, 상기에서 언급한 바와 같이, 세 개의 작동셀(100)을 조합하여 구성되는 선형모터는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 작동셀(100)을 하나씩 차례로 작동되게 하여 이동시키는 힘모드와, 도 5b에 도시된 바와 같이, 작동셀(100)을 두 개씩 작동되게 하여 이동시키는 속도모드로 사용할 수도 있다.

상기 도 5a에 도시된 것과 같은 작동에 의하면 좀더 세밀하게 이동거리를 조절하며 또한 보다 강한 고정력을 유지할 수 있다. 그리고 도 5b에 도시된 것과 같은 작동에 의하면 선형모터가 보다 신속하게 이동할 수 있는 장점이 있다. 즉, 상황과 필요한 작동환경에 따라 작동셀(100)의 작동상태를 다양하게 제어할 수 있다.

예를 들어, 작동셀 트레인을 연속적으로 동작시켜서 먼 거리를 신속하게 이동시킨 후 목표 위치 근처에 도달하면 첫 번째 작동셀에 인가되는 전기장을 미세조정하여 나노미터(nm) 단위로 미세하게 이송시키는 나노이송모터를 구성할 수 있다. 이것는 압전재료의 미세 이송능력과 다수의 작동셀을 이용한 빠른 이송능력을 겸용하는 장치이다.

상기 작동셀의 다른 일 구성예로서, 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이,

본 발명은 삼차원으로 변형이 가능한 볼록장구형의 외형 구조물을 구비하는 작동셀을 구비하는 선형모터를 제공한다.

좀더 상세하게 설명하면,

세개의 반고리형 프레임과, 상기 각각의 반고리형 프레임의 양끝단이 각각 등간격으로 연결되는 두개의 브라켓을 포함하여 형성되는 외형 구조물; 및

상기 두 브라켓 사이에 결합되며, 이전 실시예에서와 마찬가지로 예압나사에 의해 그 일단이 고정되는 선형작동기를 포함하여 이루어지는 장구형 작동셀을 제공한다.

상기한 바와 같이 구성되는 선형모터는, 도 8에 도시된 바와 같이, 원형단면의 굽은 파이트형 안내로를 따라 쉽게 적응하여 이동할 수 있음으로써, 고무관 내부에서 작동하는 이송모터나 체내의 각종 관 내부에서 이송할 수 있는 기구로 이용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 선형모터는 인가하는 전기적 신호에 의해 변위를 발생시키는 지능재료를 이용한 선형작동기를 다수 사용하여 이송장치와 고정장치를 일체화한 작동셀을 포함하여 선형 모터를 구성함으로써, 구조적으로 단순하여 설계가 간단하고 저 비용으로 제조가 가능하며, 정지상태를 유지하기 위한 전력소모를 줄이면서도 나노급의 높은 정밀도와 큰 힘을 낼수 있을 뿐만 아니라 빠른 속도를 구현할 수 있는 현저한 효과를 가진다.

또한, 다양한 원형단면의 파이프형 안내로 내부에서도 이동할 수 있는 기구로 사용할 수 있게 되어 다양한 용도로 사용될 수 있다.

Claims (12)

1. 지능재료를 이용한 선형작동기를 장착하여 작동셀을 구성하고;

   다수의 상기 작동셀을 링크부재를 사용하여 직렬로 연결하여 작동셀 트레인을 구성하며;

   상기 작동셀 트레인을 안내로에 설치하여 각 작동셀에 순차적으로 전기적 신호를 인가함에 따라 안내로에 가이드 되어 이동하는 것을 특징으로 하는 선형모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 작동셀은 원형의 고리형상으로 형성되고 외형 구조물과,

   상기 외형 구조물의 중앙을 가로지르게 결합되고, 일 끝단이 상기 외형 구조물과의 접촉을 유지하도록 하는 예압나사에 의해 고정되는 선형작동기와,

   상기 외형 구조물에서 예압나사로 결합되는 측의 반대편에 연결구멍을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 선형모터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 안내로는 수평의 바닥레일과, 상기 바닥레일의 양측에 수직1으로 돌출형성되어 상호 평행을 유지하는 경계벽으로 구성되는 것을 특징으로 하는 선형모터.
4. 제 1 또는 3항에 있어서,

   상기 안내로의 선형은 직선 또는 곡선인 것을 특징으로하는 선형모터.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 각각의 작동셀에 포함되는 외형구조물은 안내로에 양측에 형성된 경계벽과 간섭치수를 구비하도록 조립되어 전력 비인가시 항상 고정력을 생성하는 것을 특징으로 하는 선형모터.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 작동셀에 인가되는 전기적 가진신호의 파형은 반파 형태의 사인파 뿐만 아니라 톱니파, 사각파, 사다리꼴 파형으로 인가될수 있으며, 또한 각각 임의의 주기와 지속시간을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 선형모터.
7. 제 1항에 있어서,

   세 개 이상의 작동셀로 형성되는 작동셀 트레인은 각각의 작동셀에 인가되는 전기적 가진신호를 제어함으로써, 상기 안내로 상에서 큰 고정력을 생성하도록 작동되는 힘모드(force operation mode) 또는 큰 이동속도로 작동되는 속도모드(speed operation mode)로 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 선형모터.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 작동셀은 세개의 반고리형 프레임과, 상기 각각의 반고리형 프레임의 양끝단이 각각 등간격으로 연결되는 두개의 브라켓을 포함하여 형성되는 외형 구조물; 및

   상기 두 브라켓 사이에 결합되며, 예압나사에 의해 그 일단이 고정되는 선형작동기를 포함하여 이루어지져 장구형으로 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 선형모터.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 선형모터는 원형단면의 굽은 파이트형 안내로에서 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 선형모터.
10. 제 1항,2항 및 8항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 선형작동기는 전류의 인가에 따라 발생하는 전기장에 의해 변형되는 압전재료 또는 전류의 인가에 따라 자기장을 발생시키는 솔레노이드를 몸체에 장착함으로써 자기장에 의해 변형되는 자기변형재료를 이용하여 형성되는 것을 특징하는 선형모터.
11. 제 1항에 있어서,

    다수로 구비되는 상기 모든 작동셀은 각각 고정장치와 이송장치의 역할을 함께 수행하는 일체화된 작동셀인 것을 특징으로 하는 선형모터.
12. 제 1항에 있어서, 첫 번째 작동셀의 전기장을 미세조정하여 먼 거리를 신속하게 이송함과 동시에 나노이송제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 선형모터.