KR20120101862A - 자기 베어링형 진동 저감장치 - Google Patents

자기 베어링형 진동 저감장치 Download PDF

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KR20120101862A
KR20120101862A KR1020110019939A KR20110019939A KR20120101862A KR 20120101862 A KR20120101862 A KR 20120101862A KR 1020110019939 A KR1020110019939 A KR 1020110019939A KR 20110019939 A KR20110019939 A KR 20110019939A KR 20120101862 A KR20120101862 A KR 20120101862A
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김철호
강성복
김형태
이강원
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명의 자기 베어링형 진동 저감장치는, 하부 하우징, 상기 하부 하우징의 상부에 일정 거리 이격되어 구비된 상부 하우징, 상기 하부 하우징 및 상기 상부 하우징 사이에 구비되어 내부에 수용공간을 형성하는 공기 스프링, 상기 수용공간 내에 위치되고, 제1자석이 구비되며, 상기 상부 하우징 또는 상기 하부 하우징 중 어느 일측에 구비된 고정부 및 상기 수용공간 내에 위치되고, 상기 제1자석에 대응되어 인력 또는 척력을 제공하거나 제공받는 제2자석이 구비되며, 상기 상부 하우징 또는 상기 하부 하우징 중 상기 고정부가 구비된 반대측에 구비된 제어부를 포함한다.

Description

자기 베어링형 진동 저감장치{Magnetic Bearing Type Vibration Damper}
본 발명은 진동을 저감시키기 위한 진동 저감장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 제1자석을 제어하는 제2자석이 일측에 구비되어, 상기 제1자석에 척력 또는 인력을 제공하여 미세진동을 저감시킬 수 있는 진동 저감장치에 관한 것이다.
일반적으로, 다양한 원인에 의해 발생되는 진동을 저감시키기 위해 다양한 방법이 사용되고 있다.
이 중 하나의 예로서, 세계기술을 선도하는 국내 성장동력 중 하나인 LCD 등의 디스플레이 분야에 있어서, 사용되는 가공장비, 생산장비 및 검사장비 등 생산라인에 쓰이는 각종 장비들에는 매우 높은 정밀도가 요구된다. 이러한 고도의 정밀가공을 필요로 하는 생산제품의 경제성은 불량률의 감소에 따른 수율 증대 및 생산 공정의 안정화와 직접적인 관계를 가지고 있다.
현재 LCD 생산 현장에서 발생하는 문제 중 하나는 정밀 생산장비 및 검사장비들이 주변의 미세한 진동에 의하여 기능이 저하됨으로써 수율이 떨어지는 것이다. 이와 같은 문제를 고려하여 LCD 생산현장에서는 자체적인 진동허용기준을 가지고 허용되는 진동범위를 규제하고 있으며, 실제 운용되는 정밀장비들의 진동허용기준은 이보다 더욱 엄격하다.
그리고, 이와 같은 정밀장비의 진동허용기준을 만족시키기 위하여 공기스프링과 같은 유연한 탄성체 상에 장비를 설치하여 외부의 진동이 장비로 전달되는 것을 차단하는 기술이 알려져 있다. 이와 같이 강성이 유연한 장치를 이용하여 진동 및 충격을 상쇄시키는 방식을 수동형 진동제어방식이라고 한다.
상기 수동형 진동제어방식은, 일반적으로 수십 ㎐ 이상의 중고주파 진동 및 충격에는 효과적이지만, 구조물 또는 장비 자체 강체 거동의 고유 모드가 존재하는 저주파 진동제어는 매우 어려운 실정이며, 특히 대용량 이동질량을 가진 노광기의 방진에는 한계를 드러낸다.
따라서, 진동허용치가 매우 엄격해진 최근 정밀장비에 있어서는 종래의 수동형 진동제어방식으로는 허용치를 만족시킬 수 없게 되었다. 다시 말하면 장비 자체의 이동질량에 의한 동하중이 진동원으로 작용함으로써 발생하는 진동에 대해서는 상기와 같은 방진 방법으로는 한계를 갖는다는 문제점이 있다. 또한 이러한 문제점은 생산되는 제품의 품질에 영향을 미쳐 많은 손실을 발생시키기도 한다.
따라서, 높은 주파수뿐 아니라 낮은 주파수의 진동에 대응이 가능하여 장비 외부의 진동뿐 아니라 장비의 가진원에 의해 발생하는 진동을 제어하여 저감시키기 위한 진동 저감장치가 요구된다.
본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 높은 주파수뿐 아니라 낮은 주파수의 진동까지 효과적으로 저감시킬 수 있는 자기 베어링형 진동 저감장치를 제공함에 있다.
또한, 동시에 소형화가 가능한 자기 베어링형 진동 저감장치를 제공함에 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과정을 해결하기 위한 본 발명의 자기 베어링형 진동 저감장치는, 하부 하우징, 상기 하부 하우징의 상부에 일정 거리 이격되어 구비된 상부 하우징, 상기 하부 하우징 및 상기 상부 하우징 사이에 구비되어 내부에 수용공간을 형성하는 공기 스프링, 상기 수용공간 내에 위치되고, 제1자석이 구비되며, 상기 상부 하우징 또는 상기 하부 하우징 중 어느 일측에 구비된 고정부 및 상기 수용공간 내에 위치되고, 상기 제1자석에 대응되어 인력 또는 척력을 제공하거나 제공받는 제2자석이 구비되며, 상기 상부 하우징 또는 상기 하부 하우징 중 상기 고정부가 구비된 반대측에 구비된 제어부를 포함한다.
그리고, 상기 제1자석은 상기 고정부의 끝단면에 노출되도록 구비되고, 상기 제2자석은 상기 제어부의 끝단면에 노출되도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1자석은 영구자석으로 형성되고, 상기 제2자석은 전자석으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 고정부 또는 상기 제어부 중 적어도 어느 하나 이상에는 상기 제1자석 및 상기 제2자석이 서로 접촉되는 것을 방지하는 스토퍼가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1자석 또는 상기 제2자석 중 적어도 어느 하나 이상은 중공이 형성된 폐단면 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 중공이 형성된 폐단면 형태는 중심축을 기준으로 대칭될 수 있다.
또한, 상기 제1자석 또는 상기 제2자석 중 적어도 어느 하나 이상은 복수 개 구비될 수 있다.
그리고, 상기 고정부 또는 상기 제어부 중 적어도 어느 하나 이상은 복수 개 구비될 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 자기 베어링형 진동 저감장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 높은 주파수의 진동 및 낮은 주파수의 진동을 모두 효과적으로 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.
둘째, 고정부 및 제어부는 공기스프링 내의 수용공간에 위치되므로, 전체적으로 소형화시킬 수 있다는 장점이 있다.
셋째, 제1자석 및 제2자석은 다양한 형상을 가질 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 자기 베어링형 진동 저감장치의 전체 모습을 나타낸 단면도;
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기 베어링형 진동 저감장치의 제2자석의 모양을 나타낸 단면도;
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 자기 베어링형 진동 저감장치의 작동 모습을 나타낸 단면도;
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기 베어링형 진동 저감장치의 또 다른 작동 모습을 나타낸 단면도;
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 자기 베어링형 진동 저감장치의 전체 모습을 나타낸 단면도; 및
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 자기 베어링형 진동 저감장치의 제2자석의 모양을 나타낸 단면도이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 자기 베어링형 진동 저감장치의 전체 모습이 도시된다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 자기 베어링형 진동 저감장치는 상부 하우징(10), 하부 하우징(20), 공기 스프링(30) 고정부(40) 및 제어부(50)를 포함한다. 또한, 고정부(40)에는 제1자석(45)이 구비되며, 제어부(50)에는 제2자석(55)이 구비된다.
구체적으로, 상부 하우징(10) 및 하부 하우징(20)은 서로 일정 거리 이격되어 구비된다. 그리고, 상부 하우징(10)과 하부 하우징(20)이 이격된 사이에는 공기스프링(30)이 설치된다. 이에 따라, 상부 하우징(10) 또는 하부 하우징(20)에 진동이 전달될 경우, 공기스프링(30)의 탄성에 의해 효과적으로 차단될 수 있다. 따라서, 반대 측에 진동이 전가되는 것을 사전에 방지한다.
이때, 상부 하우징(10) 및 하부 하우징(20)은 상황에 따라 다양한 형상을 가질 수 있음은 물론이나, 제1실시예의 상부 하우징(10) 및 하부 하우징(20)은 가장 일반적인 사용성을 위해 판 형태로 형성된다.
한편, 공기스프링(30)의 내부에는 수용공간이 형성되며, 고정부(40) 및 제어부(50)는 상기 수용공간에 위치된다.
먼저, 고정부(40)는 상부 하우징(10) 또는 하부 하우징(20) 중 어느 일측에 구비되고, 제1자석(45)을 가진다. 즉, 상부 하우징(10) 또는 하부 하우징(20) 중 어느 쪽에 구비되어도 무방하나, 일반적으로는 진동이 발생되는 쪽의 반대측에 설치되는 것이 바람직하다.
그리고, 고정부(40)는 다양한 형상을 가질 수 있으며, 복수 개가 구비될 수도 있다. 즉, 제1자석(45) 역시 고정부(40)의 개수에 따라 복수 개 구비될 수 있으며, 더 나아가서는 하나의 고정부(40)에 복수 개의 제1자석(45)이 구비될 수도 있다.
제1실시예의 경우, 고정부(40)는 하부 하우징(20)에 구비되어, 위쪽 방향으로 연장된 형태를 가지며, 상부는 원판 형태로 형성된다. 그리고, 제1자석(45)은 고정부(40)의 상부 모양에 따라 중공이 형성된 원형으로 형성되고, 상면이 노출되도록 고정부(40)의 끝단면에 구비된다. 즉, 제1자석(45)은 노출 방향으로 자력을 제공할 수 있다.
하지만, 제1자석(45)의 형태는 이에 국한된 것이 아니며, 제1실시예의 형상과 다른 여러 형상을 가질 수 있다. 또한, 제1실시예에서는 제1자석(45)의 상면이 노출되나, 이와 같은 노출면을 가지지 않고 매립될 수도 있다. 다만, 본 발명의 효과적인 구현을 위해서는 노출면을 가지도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제어부(50)는 상부 하우징(10) 또는 하부 하우징(20) 중 고정부(40)가 구비된 반대측에 구비되며, 제2자석(55)을 가진다. 즉, 고정부(40)의 반대측에 구비되므로, 일반적으로 진동이 발생되는 쪽에 설치된다. 결과적으로, 고정부(40)와 제어부(50)는 서로 대향되고, 제2자석(55)은 제1자석(45)에 인력 또는 척력을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 공기스프링(30)에 의해 높은 주파수의 진동을 저감시키고, 제1자석(45) 및 제2자석(55)의 상호 작용에 의해 낮은 주파수의 미세 진동을 저감시킬 수 있다.
그리고, 제어부(50) 역시 다양한 형상을 가질 수 있으며, 복수 개가 구비될 수 있음은 고정부(40)의 경우와 같다.
제1실시예에서, 제어부(50)는 상부 하우징(10)에 구비되어, 아래쪽 방향으로 연장된 형태를 가지며, 하부는 고정부(40)와 대응되는 원판 형태로 형성된다. 마찬가지로, 제2자석(55) 역시 제1자석(45)에 대응되도록 중공이 형성된 원형으로 형성되며, 하면이 노출되도록 제어부(50)의 끝단면에 구비된다.
이때, 제1자석(45)과 제2자석(55)이 서로 접촉될 경우를 방지하기 위해, 고정부(40) 또는 제어부(50) 중 적어도 어느 하나 이상에는 스토퍼(60)가 설치될 수 있다. 즉, 스토퍼(60)는 고정부(40)와 제어부(50) 사이가 일정 간격보다 좁아지는 것을 방지한다. 제1실시예의 경우, 스토퍼(60)는 고정부(40)의 끝단면에 형성된다.
이상으로 본 발명의 전체적인 구성에 대해 설명하였으며, 이하에서는 제1자석(45) 및 제2자석(55)에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
상기한 바와 같이, 제2자석(55)은 제1자석(45)에 인력 또는 척력을 제공하며, 제1자석(45) 및 제2자석(55)은 다양한 형상을 가질 수 있다. 제1실시예에서 제1자석(45) 및 제2자석(55)이 중공이 형성된 원형으로 형성되는 것에 대해서도 이미 설명하였으며, 이는 도 2를 참조하면 보다 용이하게 확인할 수 있다.
제1자석(45) 및 제2자석(55)이 이와 같은 형태로 형성되는 것은, 전후 방향 및 좌우 방향은 물론 전방위에 걸쳐 균일한 자력을 제공할 수 있기 때문이다. 즉, 각 자석의 형태가 불규칙하게 형성될 경우, 위치에 따라 자력의 크기 역시 불규칙할 수 있으며, 이에 따라 진동을 효과적으로 저감시키기 어려울 수 있다. 따라서, 제1자석(45) 및 제2자석(55)은 대칭성을 가지는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 제1실시예와 같이 중공이 형성되고, 중심축을 기준으로 대칭되는 폐단면 형태 등 다양한 형상을 생각해 볼 수 있다. 또는, 제1자석(45)과 제2자석(55) 중 적어도 어느 하나가, 중심축을 기준으로 대칭되도록 복수 개 구비되는 형태도 생각하여 볼 수 있다. 이와 같이 할 경우에는, 제1자석(45) 및 제2자석(55)의 형태와 위치에 따라 제1자석(45) 및 제2자석(55) 간의 자력을 다양하게 조절할 수 있을 것이다.
또한, 제1자석(45) 및 제2자석(55)은 전자석 또는 영구자석으로 형성될 수 있다. 즉, 제1자석(45) 및 제2자석(55)은 모두 전자석 또는 영구자석 중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 각 자석 간의 인력, 척력을 조절하기 위해, 어느 일측은 전자석으로 형성되는 것이 바람직하다.
제1실시예에서는, 제1자석(45)이 영구자석으로 형성되며, 제2자석(55)이 전자석으로 형성되는 것으로 하였다. 따라서, 전자석에 제공되는 전류의 방향에 따라 제1자석(45)과 제2자석(55) 간에 인력 또는 척력이 조절될 수 있다.
상기한 사항을 토대로, 본 발명이 구동되는 과정에 대해 이어 설명하도록 한다. 먼저, 도 3에는 상부 하우징(10)에 아래쪽 방향의 외력(f1)이 가해질 경우의 구동 모습이 도시된다.
상기 아래쪽 방향의 외력(f1)이 20㎐ 이상의 고주파수인 경우, 공기 스프링(30)에 의해 대부분의 진동이 차단되나, 진동이 1~10㎐ 정도의 저주파수를 포함하는 경우, 공기 스프링(30)만으로는 이를 차단하기 어렵다.
따라서, 상기 아래쪽 방향의 외력(f1)은 상부 하우징(10)으로부터 제어부(50)로 전달되어 제어부(50)가 하향된다. 이와 같은 경우, 제2자석(55)에 일 방향의 전류를 흘려 제2자석(55) 하면의 극성을 제1자석(45) 상면의 극성과 일치시키도록 하여 척력(f2)을 발생시킨다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 상부 하우징(10)에 위쪽 방향의 외력(f3)이 가해질 경우의 구동 모습이 도시된다.
상기와 마찬가지로, 상기 위쪽 방향의 외력(f3)이 저주파수를 포함할 경우, 진동은 제어부(50)로 전달되어 제어부(50)가 상향된다. 이와 같은 경우, 제2자석(55)에 타 방향의 전류를 흘려 제2자석(55) 하면의 극성을 제1자석(45) 상면의 극성과 불일치되도록 하여 인력(f4)을 발생시킨다.
이와 같은 각 작용에 따라, 진동에 대응되도록 제2자석(55)에 흐르는 전류의 방향을 연속적으로 변경하게 될 경우, 고정부(40)와 제어부(50) 사이의 간극이 유지되고, 진동을 차단시킬 수 있다.
여기서, 상부 하우징(10)에 가해지는 외력이 상부 하우징(10)의 중앙 부분이 아닌 부분에 가해질 경우, 상부 하우징(10) 및 제어부(50)는 외력이 가해진 부분으로 기울어질 수도 있다. 이와 같은 경우, 기울어진 부분의 제1자석(45)과 제2자석(55)의 거리가 타 부분보다 가까워지고, 이에 따라 각 자석 사이의 자력이 타 부분에 비해 증가되어 평형을 유지하게 된다.
즉, 제1자석(45) 및 제2자석(55)의 형상은 중심축을 기준으로 대칭되는 형상을 가지는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 또는, 제1자석(45) 및 제2자석(55)이 복수 개 구비되고, 복수의 각 자석이 서로 대칭되도록 위치될 경우에도 이와 같은 효과를 얻을 수 있을 것이다.
그리고, 도 5 및 도 6에는, 본 발명의 제2실시예가 도시된다. 제2실시예에 있어, 상부 하우징(110), 하부 하우징(120) 및 공기스프링(130)은 제1실시예의 경우와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
제2실시예에서는, 도시된 것과 같이 제2자석(155)은 하나의 제어부(150)에 복수 개가 서로 대칭되도록 구비되며, 제1자석(145)은 제1실시예의 경우와 동일한 형상으로 형성된다. 구체적으로, 제2자석(155) 4개가 제1자석(145) 하나에 대응되는 형상을 가지게 되는 것이다. 도 6을 참조하면, 제2자석(155)의 형태가 보다 자세히 도시된다.
제1자석(145) 및 제2자석(155)을 이와 같이 배열하는 것은 본 발명의 자기 베어링형 진동 저감장치의 효과를 향상시키기 위함이다. 제2실시예의 경우, 제1실시예에 비해 보다 향상된 자력을 제공할 수 있다는 것이 시뮬레이션 결과를 통해 확인된 바가 있다.
또한, 도 6을 기준으로, 제2실시예에서는 4개의 제2자석(155)이 제어부(150)의 전, 후, 좌, 우에 나란히 배치되었으나, 더 나아가 제2자석(155)은 더 많은 개수가 구비될 수도 있으며, 서로 다른 각도로 구비될 수 있음은 물론이다. 이와 같이 할 경우, 상황에 따라 제1자석(145) 및 제2자석(155) 사이의 자력을 용이하게 조절할 수 있을 것이다.
한편, 제2실시예에서 스토퍼(160)는 고정부(140)와 제어부(150)의 중앙 부분에 각각 하나씩 형성된다. 이와 같이, 본 발명의 자기 베어링형 진동 저감장치의 각 구성요소는 다양한 형태 및 개수를 가지고, 다양한 위치에 형성될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 자기 베어링형 진동 저감장치는 고정부 및 제어부가 공기스프링의 내측에 구비되므로, 전체 크기는 공기스프링의 크기를 넘지 않도록 형성될 수 있다. 따라서, 장치의 소형화를 꾀할 수 있다는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 상부 하우징
20: 하부 하우징
30: 공기 스프링
40: 고정부
45: 제1자석
50: 제어부
55: 제2자석
60: 스토퍼

Claims (8)

  1. 하부 하우징;
    상기 하부 하우징의 상부에 일정 거리 이격되어 구비된 상부 하우징;
    상기 하부 하우징 및 상기 상부 하우징 사이에 구비되어 내부에 수용공간을 형성하는 공기 스프링;
    상기 수용공간 내에 위치되고, 제1자석이 구비되며, 상기 상부 하우징 또는 상기 하부 하우징 중 어느 일측에 구비된 고정부; 및
    상기 수용공간 내에 위치되고, 상기 제1자석에 대응되어 인력 또는 척력을 제공하거나 제공받는 제2자석이 구비되며, 상기 상부 하우징 또는 상기 하부 하우징 중 상기 고정부가 구비된 반대측에 구비된 제어부;
    를 포함하는 자기 베어링형 진동 저감장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1자석은 상기 고정부의 끝단면에 노출되도록 구비되고, 상기 제2자석은 상기 제어부의 끝단면에 노출되도록 구비된 자기 베어링형 진동 저감장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1자석은 영구자석으로 형성되고,
    상기 제2자석은 전자석으로 형성된 자기 베어링형 진동 저감장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고정부 또는 상기 제어부 중 적어도 어느 하나 이상에는 상기 제1자석 및 상기 제2자석이 서로 접촉되는 것을 방지하는 스토퍼가 형성된 자기 베어링형 진동 저감장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1자석 또는 상기 제2자석 중 적어도 어느 하나 이상은 중공이 형성된 폐단면 형태로 형성된 자기 베어링형 진동 저감장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중공이 형성된 폐단면 형태는 중심축을 기준으로 대칭되는 자기 베어링형 진동 저감장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1자석 또는 상기 제2자석 중 적어도 어느 하나 이상은 복수 개 구비된 자기 베어링형 진동 저감장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고정부 또는 상기 제어부 중 적어도 어느 하나 이상은 복수 개 구비된 자기 베어링형 진동 저감장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103573908A (zh) * 2013-11-14 2014-02-12 哈尔滨工程大学 半主动/全主动一体化式电磁吸振器
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