KR100383579B1 - 자기력을 이용한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

여기에 개시된 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템은 육면체의 각 꼭지점에 해당하는 위치에서 원점을 중심으로 대각선으로 마주보는 구조로 배열된 적어도 8개 이상의 보조 전자석을 포함한다. 이 보조 전자석의 배열은 xy, yz, zx 평면 어디에서 보더라도 기하학적으로 동일하다. 따라서, 각 평면에서의 병진 운동 및 회전 운동의 제어 원리는 다른 모든 평면에서도 똑같이 적용된다. 상기 시스템은, 시스템 전체의 이동에 의해서 소형 이동자의 x, y, z축에 대한 병진 운동을 수행하며, 모터와 같은 원리로 보조 전자석의 자기력과 극성을 변환함에 의해서 소형 이동자의 x, y, z축에 대한 회전 운동을 수행한다.

Description

자기력을 이용한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템{3-DIMENSIONAL POSITION CONTROL SYSTEM FOR SMALL MOVER USING MAGNETIC FORCE}

본 발명은 위치 제어 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 자기력을 이용한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템에 관한 것이다.

자기력을 이용한 위치 제어 시스템의 일례로는 Nishizawa 등에 의해 1974년 1월 29일 취득된 U.S. Pat. No. 3,789,285, "POSITION CONTROL SYSTEM USING MAGNETIC FORCE"가 있다. 여기서는 공극부를 통해 물체를 제어하기 위한 적어도 하나 이상의 전자석을 포함하는 위치 제어 시스템에 대해 개시하고 있다. 그러나, 이와 같이 자기력을 이용한 위치 제어 시스템은, 외부로부터 자기력을 인가함으로써 자성체나 영구 자석으로 이루어진 소형 이동자를 원격으로 움직이게는 할 수 있으나, 소형 이동자가 움직일 수 있는 범위는 극히 제한적인 문제점을 가지고 있다. 뿐만 아니라, 현재까지의 위치 제어 시스템들 중 아직까지 3차원 공간상에서 자유롭게 움직이게 할 수 있는 기술이 개발되지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 소형 이동자의 x, y, z축에 대한 병진 운동 및 회전 운동을 가능하게 할뿐만 아니라, 3차원 공간상에서 소형 이동자에 대한 자유로운 위치 제어가 가능한 시스템이 요구된다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 자성체, 또는 영구 자석으로 이루어진 소형 이동자의 위치를 자유롭게 제어하기 위한 장치를 제공하는데 있다.

도 1a는 본 발명에 의한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템의 사시도;

도 1b는 본 발명에 의한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템의 정면도;

도 1c는 본 발명에 의한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템의 측면도;

도 1d는 본 발명에 의한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템의 배면도;

도 2는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 주 전자석의 구조를 보여주기 위한 사시도;

도 3a는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 보조 전자석 및 요크의 구조를 보여주기 위한 사시도;

도 3b 및 도 3c는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 보조 전자석 및 요크의 구조를 보여주기 위한 정면도 및 측면도;

도 4는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 소형 이동자에서 주 전자석을 제외한 두 개의 보조 전자석 및 요크의 구조를 보여주기 위한 사시도;

도 5a 내지 도 5d는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 본 발명에 의한 3차원 위치 제어 시스템에 의해 그 위치가 제어되는 소형 이동자의 구성을 보여주기 위한 사시도;

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 의한 3차원 위치 제어 시스템에 의해 제어되는 소형 이동자의 병진 운동의 원리를 보여주기 위한 도면; 그리고

도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 의한 3차원 위치 제어 시스템에 의해 제어되는 소형 이동자의 회전 운동의 원리를 보여주기 위한 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 주 전자석 2 : 보조 전자석

3 : 보조 전자석의 요크(yoke) 4 : 전자석 코일

5 : 자성체 6 : 영구 자석

상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 소형 이동자의 위치 제어 시스템은, 상기 소형 이동자를 위치시키기 위한 공극부를 구성하기 위한 것으로, 공극을 사이에 두고 대향하는 C형 요크의 단부에 각각 코일이 감겨 이루어지는 주 전자석과, 상기 공극부를 중심으로 상기 주 전자석의 좌우 양단에 소정의 거리를 두고 배열된 적어도 두 개 이상의 원형의 요크, 그리고 상기 원형의 요크에 각각 동일한 개수로 구비되어, 상기 공극부를 중심으로 대각선으로 마주보는 구조로 배열된 다수 개의 보조 전자석들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

(실시예)

이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면 도 1a 내지 도6b를 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 신규한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템은 육면체의 각 꼭지점에 해당하는 위치에서 원점을 중심으로 대각선으로 마주보는 구조로 배열된 적어도 8개 이상의 보조 전자석을 포함한다. 이 보조 전자석의 배열은 xy, yz, zx 평면 어디에서 보더라도 기하학적으로 동일하다. 따라서, 각 평면에서의 병진 운동 및 회전 운동의 제어 원리는 다른 모든 평면에서도 똑같이 적용된다.

도 1a는 본 발명에 의한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템의 사시도이고, 도 1b는 본 발명에 의한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템의 정면도이며, 도 1c는 본 발명에 의한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템의 측면도이다. 그리고, 도 1d는 본 발명에 의한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템의 배면도이다.

먼저, 도 1a를 참조하면, 본 발명에 의한 자기력을 이용한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템은, 상기 소형 이동자를 위치시키기 위한 공극부를 구성하기 위한 주 전자석(1)과, 상기 공극부를 중심으로 상기 주 전자석의 좌우 양단에 소정의 거리를 두고 배열된 적어도 두 개 이상의 요크(3), 그리고 상기 요크에 각각 동일한 개수로 구비되어, 상기 공극부를 중심으로 대각선으로 마주보는 구조로 배열된 다수 개의 보조 전자석들을 포함한다.

각각의 보조 전자석(2)들은 링 형태로 구성된 두 개의 요크(3)에 의해 4개씩 균일한 간격으로 연결되어, 육면체의 각 꼭지점에 해당하는 위치에서 원점을 중심으로 마주보게 배열된다. 나중에 상세히 설명하겠지만, 상기 주 전자석(1)과 보조 전자석(2) 사이에는 소형 이동자가 위치할 수 있는 소정의 공간(즉, 공극부)이 형성된다. 바로 이 공간 안에 자성체 또는 영구자석으로 이루어진 소형 이동자가 위치하게 되며, 이 소형 이동자를 둘러싸고 있는 주 전자석(1) 및 보조 전자석(2)의 제어에 의해서 소형 이동자가 3차원 공간상에서 자유롭게 이동할 수 있도록 구성된다. 보조 전자석(2)에 연결된 요크(3)는 보조 전자석(2)의 효율을 증가시키는 자로(flux path)의 역할과 함께 보조 전자석(2)을 지지할 수 있는 지지대 역할을 수행한다.

이어서, 도 1b 내지 도 1d를 참조하면, 도면에 도시된 바와 같이 육면체의 각 꼭지점에 해당하는 위치에서 원점을 중심으로 마주보게 배열된 보조 전자석(2)의 독특한 배열은 xy, yz, zx 평면 어느 면에서 봐도 동일하다. 따라서, 각 평면에서의 병진 운동 및 회전 운동의 제어 원리는 다른 모든 평면에서도 똑같이 적용된다.

도 2는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 주 전자석(1)의 구조를 보여주기 위한 사시도이다. 도 2를 참조하면, 주 전자석(1)은 "??"자 모양의 프레임으로 형성되며, 그것의 양단은 안쪽으로 향해 배열되어 공극부(gap)를 형성한다. 그리고, 공극부와 접하고 있는 주 전자석(1)의 양단에는 전자석 코일(4)이 감겨져 있어 자기장을 형성한다.

이와 같이, 본 발명에 의한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템에 구비된 주 전자석(1)은, 그것의 공극부에 강력한 자기장을 형성하여 상기 시스템을 구성하고 있는 전체 전자석(즉, 주 전자석(1) 및 보조 전자석(2))을 한꺼번에 이동시킴으로써 자성체나 영구자석으로 이루어진 소형 이동자를 z축 방향으로 전진 또는 후진시키는 역할을 수행한다.

도 3a는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 보조 전자석(2) 및 요크(3)의 구조를 보여주기 위한 사시도이고, 도 3b 및 도 3c는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 보조 전자석(2) 및 요크(3)의 구조를 보여주기 위한 정면도 및 측면도이다. 그리고, 도 4는 자기력을 이용한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템에서 보조 전자석(2)의 배열을 나타낸 것이다.

도면을 참조하면, 정 육면체의 각 꼭지점의 위치에 배열된 8개의 보조 전자석(2)은 원점을 중심으로 대각선 방향으로 서로 마주보는 형태로 배열되어 있다. 이러한 독특한 구조는 xy, yz, zx 평면 어디에서 봐도 기하학적으로 동일하다. 그러므로, xy 평면에서 소형 이동자가 자유롭게 움직일 수 있다면, 나머지 평면에서도 마찬가지로 자유롭게 움직일 수 있게 된다. 따라서, 3차원 공간상에서 소형 이동자의 자유로운 위치 제어가 가능해진다.

도 5a 내지 도 5d는 도 1a 내지 도 1d에 도시된 본 발명에 의한 3차원 위치 제어 시스템에 의해 그 위치가 제어되는 소형 이동자의 구성을 보여주기 위한 사시도이다. 도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 상기 소형 이동자는 자성체(5) 또는 영구자석(6)으로 구성될 수 있으며, 경우에 따라서 자성체(5)와 영구자석(6)을 함께 쓸 수도 있다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 의한 3차원 위치 제어 시스템에 의해 제어되는 소형 이동자의 병진 운동의 원리를 보여주기 위한 도면이다. 먼저, 첫 번째 도면에는 소형 이동자를 부상시킨 채 정지해 있는 상태를 보여주고 있고, 두 번째 도면에는 정지 상태에서 주 전자석(1)과 보조 전자석(2)을 왼쪽으로 이동시키면서 소형 이동자도 전자석을 따라서 왼쪽으로 이동하는 것을 보여주고 있다. 이 때, 오른쪽 전자석의 극성을 바꿔주게 되면, 더 큰 이동력을 얻을 수 있다.

이어서, 세 번째 도면에서는 상단에 있는 전자석의 자기력을 더 크게 함으로써 소형 이동자를 위로 이동시키는 것을 보여주고 있다. 이 경우, 위쪽에 있는 전자석의 자기력을 일정하게 유지시킨 채 전자석을 위로 이동시키면, 소형 이동자도 역시 위로 움직이게 된다. 따라서, 지면을 xy 평면이라고 가정하면, 소형 이동자는 x, y 방향으로의 이동이 가능해 진다. 이 때, 각각의 방향으로의 힘을 제어하면 그 벡터 합에 의해서 소형 이동자는 xy 평면에서 자유롭게 이동할 수 있다. 앞에서도 언급했듯이, 보조 전자석(2)들이 가지고 있는 독특한 배열(예컨대, 보조 전자석(2)들이 육면체의 각 꼭지점에 해당하는 위치에서 원점을 중심으로 마주보도록 배열됨)은 어느 평면에서 봐도 동일하기 때문에, 앞에서 설명한 xy 평면에서의 이동과 동일한 원리에 의해서, 소형 이동자는 yz 및 zx 평면상에서도 자유로운 이동이 가능하다.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 의한 3차원 위치 제어 시스템에 의해 제어되는 소형 이동자의 회전 운동의 원리를 보여주기 위한 도면이다. 도면에서, 첫 번째 도면은 소형 이동자가 정지된 상태를 나타내고 있고, 두 번째 도면은 왼쪽 상단의 S극 보조 전자석과, 오른쪽 하단의 N극 보조 전자석의 자기력을 증가시킴으로써, 영구자석으로 구성된 소형 이동자를 시계 방향으로 회전시키는 것을 나타내고 있다. 그리고, 세 번째 도면은 모터가 회전하는 원리와 마찬가지로 보조 전자석의 극성을 바꿔줌으로써 소형 이동자를 시계 방향으로 90도 회전시키는 것을 보여주고 있다. 이와 같은 경우, 모터와 마찬가지로 연속적인 극성 변환으로 소형 이동자를 계속 회전시킬 수도 있다.

예를 들어, 지면을 xy 평면이라고 가정하면, 소형 이동자는 z 축을 중심으로 자유로운 회전 운동을 할 수 있다. 이 때, 보조 전자석(2)의 배열은 어느 면에서나 동일하므로 x, y 축에 대한 자유로운 회전도 가능하다. 그러므로, 본 발명에 의한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템은 3차원 공간상에서 소형 이동자를 자유롭게 회전시킬 수 있다.

이와 같이, 소형 이동자는 각 기본 축에 대한 병진 운동 및 회전 운동이 가능하다. 따라서, 소형 이동자는 6 자유도를 가지게 되고, 3차원 공간상의 한 점에 모든 방향으로의 접근이 가능하게 된다. 따라서, 소형 이동자에 소형 카메라를 설치하게 되면 3차원 공간상의 어떤 위치에 있는 물체라도 모든 방향에서 촬영이 가능해지므로 파이프 등과 같은 구조물 내부 검사 장비나 체내 내시경에 응용할 수 있다. 그 외에도, 상기 3차원 위치 제어 시스템은 3차원으로 동작하는 인조 물고기, 관광지 등의 입체 안내도, 전시 효과가 큰 3차원 이동 광고물 등에도 응용이가능하다.

이상에서, 본 발명에 따른 회로의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 자성체, 또는 영구 자석으로 이루어진 소형 이동자의 x, y, z축에 대한 병진 운동 및 회전 운동이 가능하게 하여 3차원 공간상에서 위치의 이동이 자유롭게 제어될 수 있다.

Claims (8)

1. 소형 이동자의 위치 제어 시스템에 있어서:

   상기 소형 이동자를 위치시키기 위한 공극부를 구성하기 위한 것으로, 공극을 사이에 두고 대향하는 C형 요크의 단부에 각각 코일이 감겨 이루어지는 주 전자석과;

   상기 공극부를 중심으로 상기 주 전자석의 좌우 양단에 소정의 거리를 두고 배열된 적어도 두 개 이상의 원형의 요크; 그리고

   상기 원형의 요크에 각각 동일한 개수로 구비되어, 상기 공극부를 중심으로 대각선으로 마주보는 구조로 배열된 다수 개의 보조 전자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 전자석들은 육면체의 각 꼭지점에 해당하는 위치에서 상기 공극부를 중심으로 마주 보게 배열되는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 전자석들의 배열은 xy, yz 및 zx 평면을 포함하는 모든 면에서 동일한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 전자석은, 그것의 극성을 바꿔줌으로써 상기 소형 이동자를 시계 방향으로 90도 회전시키는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 소형 이동자의 3차원 위치 제어 시스템.
7. 삭제
8. 삭제