KR100462996B1 - 선형 플렉셔 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축 방향으로의 원활한 움직임을 필요로 하고 반경 방향으로 강한 지지를 요구하는 선형 플렉셔 베어링에 관한 것이다.

본 발명에 따른 선형 플렉셔 베어링은, 원형고리 형상의 허브(hub)와, 그 바깥 둘레에 서로 등각을 이루며 방사상으로 형성되는 허브 아암(arm)과, 허브와 허브 아암을 둘러싸도록 형성되는 원형고리 형상의 림(rim)과, 그 안쪽 둘레에 허브 아암과 같은 개수가 방사상으로 형성되는 림 아암과, 서로 인접하지 않는 허브 아암과 림 아암의 마주보는 변 사이에 원호상으로 마련되어 허브 아암과 림 아암을 연결하는 플렉셔 블레이드(flexure blade)를 포함하는 다이어프램(diaphragm); 상기 허브와 동일한 형상을 갖는 허브 스페이서(spacer)와, 상기 허브 스페이서의 바깥 둘레에 형성되는 허브 스페이서 아암과, 그 가장자리에 형성되는 지지돌기를 포함하고, 상기 허브에 형상이 일치하도록 고정되는 내측 스페이서; 및 상기 림과 동일한 형상을 갖는 림 스페이서와, 그 안쪽 둘레에 형성되는 림 스페이서 아암과, 그 가장자리에 형성되는 지지돌기를 포함하고, 상기 림에 형상이 일치하도록 고정되는 외측 스페이서를 포함하여 이루어진다.

Description

선형 플렉셔 베어링{LINEAR FLEXURE BEARING}

본 발명은 베어링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축 방향으로의 원활한 움직임을 필요로 하고 반경 방향으로 강한 지지를 요구하는 선형 플렉셔 베어링에 관한 것이다.

일반적으로, 베어링(Bearing)이란 회전 또는 왕복동 운동을 하는 기계의 축(軸)을 일정한 위치에 고정시키고 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전 또는 왕복동 운동을 시키는 역할을 하는 기계요소를 말한다.

베어링과 접촉하고 있는 축 부분을 저널(journal)이라고 하며, 그 접촉 상태에 따라 미끄럼 베어링(sliding bearing)과 구름 베어링(rolling bearing)의 두 종류로 분류된다.

미끄럼 베어링은 베어링이 저널부의 표면 전부 또는 표면의 일부를 둘러싼 것 같이 되어 있으며, 베어링과 저널의 접촉면 사이에는 보통 윤활유가 있다. 이베어링은 면과 면이 접촉하기 때문에 축이 회전 또는 왕복동 운동을 할 때 마찰저항이 구름 베어링보다 크지만 하중을 지지하는 능력은 일반적으로 크다.

구름 베어링은 축과 베어링의 볼 또는 롤러가 접촉하며 축이 회전 또는 왕복동 운동을 하면 볼 또는 롤러도 같이 회전하기 때문에 마찰저항은 작다.

회전 또는 왕복동 운동을 하는 기계 축에는 하중이 축과 수직으로 걸리는 경우와 축 방향으로 걸리는 경우가 있으며, 베어링은 이와 같은 하중에 견디면서 회전운동을 확실히 해야 한다. 베어링은 이와 같은 하중방향 또는 운동의 방향에 따라 그 구조가 달라지며, 회전 운동하는 기계의 경우 축과 수직으로 하중이 걸리는 경우에 사용하는 것을 레이디얼(radial) 베어링이라 하고, 축 방향으로 하중이 작용하는 경우에 쓰이는 것을 스러스트(thrust) 베어링이라 한다. 왕복동 운동을 하는 기계의 경우에는 일반적으로 선형 운동 가이드 베어링(Linear movement guide bearing)을 사용하는데 이 베어링은 내부에 회전하는 볼이 있어 축의 축방향 왕복동 운동을 원활히 해 주는 역할을 한다. 그러나 이러한 종류의 베어링은 모두 운동하는 기계의 축과 베어링이 접촉되어 작동하므로 정확한 위치 제어는 가능하지만 높은 주파수로 운전하는 경우에는 마찰에 의한 동력손실이 매우 크므로 동력손실의 최소화가 필수적인 고주파 소형 정밀기기에는 적용이 매우 어렵다.

이러한 이유로 자외선 센서 셔터장치, 인공심장용 펌프, 초전도 RF Filter 또는 적외선 센서 냉각용 극저온 냉동기(cryocoolers)의 고주파 왕복동 압축기 등, 우중항공용, 군사용, 의료용 장비에는 마찰에 의한 동력손실을 최소화하고 긴 수명을 유지하기 위하여 선형 플렉셔 베어링(linear flexure bearing)이 적용된다.

도 6은 극저온 냉동기에 적용되는 종래의 플렉셔 베어링의 일례를 도시한 사시도이다.

플렉셔 베어링(70)은 고도로 정확한 피스톤(72) 트래킹(tracking)을 가능하게 하여 컴프레서 하우징(미도시)과의 접촉을 방지할 수 있다.

이러한 선형 플렉셔 베어링은 축 방향으로의 원활한 움직임을 필요로 하고, 반지름 방향으로 강한 지지를 요구하는 경우에 적용되는 것이 일반적이므로, 높은 반지름방향 강성도(radial stiffness)와 낮은 축방향 강성도(axial stiffness)를 가지도록 설계되는 것이 바람직하다.

US 특허 제5,492,313호에서는 왕복기기(reciprocating machine)에 사용되는 도 7에 도시한 바와 같은 선형 플렉셔 베어링을 개시하고 있는 바, 이 선형 플렉셔 베어링(80)은 허브 스페이서(82)와 림 스페이서(84) 사이에 외팔보(cantilever) 형태의 플렉셔 블레이드(86)가 고정되고, 이 플렉셔 블레이드(86)의 대응되는 양단각이 서로 대칭되도록 구성된다.

그러나, 선형 플렉셔 베어링은 설계되는 형상에 따라 장착된 축(shaft)의 왕복운동에 따른 휨 모멘트 등의 작용에 의하여 피로 파괴 등의 문제가 발생할 수 있으며, 요구되는 정도로 높은 반지름방향 강성도와 낮은 축방향 강성도를 만족시켜 주지 못하는 예가 많다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 장착되는 축의 왕복운동에 따라 변형되는 형상을 고려하여 다이어프램과 스페이서를 최적으로 설계함으로써 높은 반지름방향 강성도와 낮은 축방향 강성도를 가지며 뒤틀림에 의한 응력(stress)를 적게 받아 긴 수명을 유지할 수 있는 선형 플렉셔 베어링을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 선형 플렉셔 베어링의 다이어프램을 도시한 평면도이다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 선형 플렉셔 베어링의 내·외측 스페이서를 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다이어프램과 내·외측 스페이서가 조립된 선형 플렉셔 베어링을 도시한 평면도이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선형 플렉셔 베어링의 내·외측 스페이서를 도시한 평면도이다.

도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다이어프램과 제 2 실시예에 따른 내·외측 스페이서가 조립된 선형 플렉셔 베어링을 도시한 평면도이다.

도 6은 극저온 냉동기에 적용되는 종래 플렉셔 베어링의 일례를 도시한 사시도이다.

도 7은 외팔보 형태의 플렉셔 블레이드가 적용된 종래의 선형 플렉셔 베어링을 도시한 사시도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 다이어프램 12: 허브

14a,14b,14c: 허브 아암 16: 림

18a,18b,18c: 림 아암 21,23,25: 플렉셔 블레이드

30: 내측 스페이서 32: 허브 스페이서

34a,34b,34c: 허브 스페이서 아암

36,45: 지지돌기 40: 외측 스페이서

41: 림 스페이서 43a,43b,43c: 림 스페이서 아암

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 원형의 구멍이 가운데에 뚫려 있는 원형고리 형상의 허브(hub)와, 상기 허브의 중심에 대하여 서로 등각을 이루며 상기 허브의 바깥 둘레에 복수개가 방사상으로 형성되는 허브 아암(arm)과, 상기 허브 아암의 외측 끝단에 인접하여 상기 허브와 허브 아암을 둘러싸도록 형성되는 원형고리 형상의 림(rim)과, 상기 각각의 허브 아암의 일측 가장자리에 인접하도록 상기 허브의 중심에 대하여 서로 등각을 이루며 상기 림의 안쪽 둘레에 상기 허브 아암과 같은 개수가 방사상으로 형성되는 림 아암과, 서로 인접하지 않는 허브 아암과 림 아암의 마주보는 변 사이에 각각 소정의 폭을 가지면서 원호상으로 마련되어 상기 허브 아암과 상기 림 아암을 연결하는 복수 개의 플렉셔 블레이드(flexure blade)를 포함하는 다이어프램(diaphragm); 상기 허브와 동일한 크기와 형상을 갖는 허브 스페이서(spacer)와, 상기 허브 스페이서의 바깥 둘레에 상기 허브 아암과 동일한 위치 및 형상을 갖도록 복수 개가 형성되는 허브 스페이서 아암과, 상기 플렉셔 블레이드와 연결되는 허브 아암의 일측 가장자리와 대응되는 상기 허브 스페이서 아암의 가장자리에 형성되는 지지돌기를 포함하고, 상기 허브에 형상이 일치하도록 고정되는 내측 스페이서; 및 상기 림과 동일한 크기와 형상을 갖는 림 스페이서와, 상기 림 스페이서의 안쪽 둘레에 상기 림 아암과 동일한 위치 및 형상을갖도록 복수 개가 형성되는 림 스페이서 아암과, 상기 플렉셔 블레이드와 연결되는 림 아암의 일측 가장자리와 대응되는 상기 림 스페이서 아암의 가장자리에 형성되는 지지돌기를 포함하고, 상기 림에 형상이 일치하도록 고정되는 외측 스페이서를 포함하는 선형 플렉셔 베어링을 제공한다.

상기 선형 플렉셔 베어링은 상기 다이어프램을 사이에 두고 상기 다이어프램의 각 측면에 내측 스페이서 및 외측 스페이서가 적어도 한 쌍씩 고정되어 사용될 수 있다.

상기 다이어프램은 3개의 허브 아암이 상기 허브의 중심에 대하여 서로 120°의 간격을 가지도록 형성되고, 3개의 림 아암이 상기 허브 아암과 각각 인접하여 상기 허브의 중심에 대하여 서로 120°의 간격을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 플렉셔 블레이드는 상기 허브의 중심에 가까이 위치하는 것일수록 그 폭이 좁게 형성되는 것이 바람직하며, 서로 인접하지 않는 허브 아암과 림 아암이 각각 3개씩의 플렉셔 블레이드로 연결될 수 있다.

상기 허브 스페이서 아암에 형성되는 지지돌기는 톱니형상을 가지며, 서로 인접하지 않는 허브 아암과 림 아암의 마주보는 변 사이에 마련되는 상기 복수 개의 플렉셔 블레이드에 각각 대응되게 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 톱니형상의 지지돌기는 상기 다이어프램의 플렉셔 블레이드의 외측 테두리와 나란히 겹치도록 형성되는 단변과, 이 단변과 소정의 예각(α)을 이루도록 형성되는 장변을 포함하여 이루어진다.

이 때, 상기 톱니형상 지지돌기의 장변과 단변이 이루는 예각(α)은 30°내지 52°의 범위에 속하도록 하는 것이 바람직하며, 30°미만 또는 52°초과일 경우에는 플렉셔 블레이드에 비틀림으로 인한 응력이 발생, 수명이 단축되는 문제점이 있다.

한편, 상기 림 스페이서 아암에 형성되는 지지돌기는 톱니형상을 가지며, 서로 인접하지 않는 허브 아암과 림 아암의 마주보는 변 사이에 마련되는 상기 복수 개의 플렉셔 블레이드에 각각 대응되게 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 톱니형상의 지지돌기는 상기 다이어프램의 플렉셔 블레이드의 외측 테두리와 나란히 겹치도록 형성되는 단변과, 이 단변과 소정의 예각(β)을 이루도록 형성되는 장변을 포함하여 이루어진다.

이 때, 상기 톱니형상 지지돌기의 장변과 단변이 이루는 예각(β)은 30°내지 52°의 범위에 속하는 것이 바람직하며, 30°미만 또는 52°초과일 경우에는 플렉셔 블레이드에 비틀림에 의한 응력이 발생하여 수명이 단축되는 문제점이 있다.

이 때 예각 α와 예각 β는 반드시 동일할 필요는 없으나 서로 근접한 값을 가질 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 선형 플렉셔 베어링의 다이어프램을 도시한 평면도이다.

도 1을 참조하면, 선형 플렉셔 베어링의 다이어프램은 크게 허브(12),림(16), 및 플렉셔 블레이드(21, 23, 25)가 동일 평면에서 서로 연결되면서 이루어진다. 상기 플렉셔 블레이드(21, 23, 25)가 상기 허브(12) 및 림(16)과 연결될 수 있도록 상기 허브(12)에는 허브 아암(14)이 바깥쪽 둘레에 방사상으로 형성되고, 상기 림(16)에는 림 아암(18)이 안쪽 둘레에 방사상으로 형성된다.

상기 허브(12)는 원형의 구멍이 가운데에 뚫려 있는 원형고리 형상으로 이루어지며, 복수 개의 리벳 포인트(13)가 일정한 간격을 두고 상기 허브(12) 상에 형성된다. 상기 허브(12)의 원형 구멍에는 베어링으로 지지되는 축이 삽입되게 되므로, 베어링이 적용될 축의 굵기에 따라 형성되는 허브(12)의 구멍크기는 달라질 수 있다.

허브 아암(14a, 14b, 14c)은 상기 허브(12)의 중심에 대하여 서로 등각을 이루며 허브(12)의 바깥쪽 둘레에 복수 개가 방사상으로 형성된다. 본 실시예에서 허브 아암(14a, 14b, 14c)은 허브(12)의 중심에 대하여 서로 120°의 간격을 가지도록 3개가 상기 허브(12)와 일체로 형성된다. 상기 허브 아암(14a, 14b, 14c) 각각에도 적어도 하나 이상의 리벳 포인트(15)가 형성된다.

상기 허브(12)와 허브 아암(14a, 14b, 14c)의 외측으로는 이들 모두를 둘러싸도록 원형고리 형상의 림(16)이 배치된다. 이러한 림(16)은 내측 둘레가 상기 허브 아암(14a, 14b, 14c)의 외측 끝단에 소정의 간격을 두고 인접할 정도의 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 복수 개의 리벳 포인트(19)가 상기 림(16) 상에도 서로 일정한 간격을 두고 형성된다.

림 아암(18a, 18b, 18c)은 상기 허브(12)의 중심에 대하여 서로 등각을 이루며 림(16)의 안쪽 둘레에 상기 허브 아암(14a, 14b, 14c)의 개수와 같은 개수가 방사상으로 형성된다. 이러한 림 아암(18a, 18b, 18c)은 각각이 상기 허브 아암(14a, 14b, 14c) 각각의 일측 가장자리에 소정의 간격을 두고 인접하도록 배치되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 림 아암(18a, 18b, 18c)은 허브 아암(14a, 14b, 14c)의 개수와 동일한 3개가 허브(12)의 중심에 대하여 서로 120°의 간격을 가지도록 상기 림(16)과 일체로 형성된다. 상기 림 아암(18a, 18b, 18c) 각각에도 적어도 하나 이상의 리벳 포인트(17)가 형성된다.

플렉셔 블레이드(21, 23, 25)는 서로 인접하지 않는 허브 아암(14a, 14b, 14c)과 림 아암(18a, 18b, 18c)의 마주보는 변 사이에 각각 소정의 폭을 가지면서 복수 개가 원호상으로 마련되어 상기 허브 아암(14a, 14b, 14c)과 림 아암(18a, 18b, 18c)을 연결한다. 본 실시예에서는 각각의 허브 아암(14a, 14b, 14c)과 림 아암(18a, 18b, 18c)의 사이에 3개씩의 플렉셔 블레이드(21, 23, 25)가 서로 소정의 간격을 두고 인접 배치되도록 연결된다.

이러한 플렉셔 블레이드(21, 23, 25)는 허브(12)의 중심에 가까이 위치하는 것일수록 그 폭이 좁게 형성된다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 선형 플렉셔 베어링의 내·외측 스페이서를 도시한 평면도이고, 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다이어프램과 내·외측 스페이서가 조립된 선형 플렉셔 베어링을 도시한 평면도이다.

도 2를 참조하면, 내측 스페이서(30)는 허브 스페이서(32)와 허브 스페이서 아암(34a, 34b, 34c)으로 이루어지며, 외측 스페이서(40)는 림 스페이서(41)와 림스페이서 아암(43a, 43b, 43c)으로 이루어진다.

허브 스페이서(32)는 상기 다이어프램(10)의 허브(12)와 동일한 크기와 형상을 가진다.

허브 스페이서 아암(34a, 34b, 34c)은 허브 아암(14a, 14b, 14c)과 동일한 위치 및 형상을 갖도록 상기 허브 스페이서(32)의 바깥 둘레에 복수 개가 형성된다.

또한, 플렉셔 블레이드(21, 23, 25)가 연결되는 상기 허브 아암(14a, 14b, 14c)의 일측 가장자리와 대응되는 허브 스페이서 아암(34a, 34b, 34c)의 가장자리에는 지지돌기(36)가 형성된다.

지지돌기(36)는 톱니형상을 가지며, 서로 인접하지 않는 허브 아암(14a, 14b, 14c)과 림 아암(18a, 18b, 18c)의 마주보는 변 사이에 마련되는 플렉셔 블레이드 각각에 대응되게 형성된다. 각각의 톱니형상의 지지돌기(36)는 장변(36a)과 단변(36b)을 가지며 단변(36b)은 내측 스페이서(32)가 다이어프램(10)과 결합될 때 도 3에서 보는 바와 같이, 플렉셔 블레이드(21, 23, 25)의 외측 테두리와 나란히 겹치도록 만들어지는 것이 바람직하고, 장변(36a)은 이러한 단변(36b)과 소정의 예각(α)을 이루도록 만들어지게 된다.

도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내측 스페이서에 있어서, 톱니형상 지지돌기(36)의 장변(36a)과 단변(36b)이 이루는 예각(α)은 52°이다.

림 스페이서(41)는 다이어프램(10)의 림(16)과 동일한 크기와 형상을 가진다.

림 스페이서 아암(43a, 43b, 43c)은 림 아암(18a, 18b, 18c)과 동일한 위치 및 형상을 갖도록 상기 림 스페어서(41)의 안쪽 둘레에 복수 개가 형성된다.

또한, 플렉셔 블레이드(21, 23, 25)가 연결되는 상기 허브 아암(14a, 14b, 14c)의 일측 가장자리와 대응되는 림 스페이서 아암(43a, 43b, 43c)의 가장자리에는 지지돌기(45)가 형성된다.

지지돌기(45)는 톱니형상을 가지며, 서로 인접하지 않는 허브 아암(14a, 14b, 14c)과 림 아암(18a, 18b, 18c)의 마주보는 변 사이에 마련되는 플렉셔 블레이드 각각에 대응되게 형성된다. 각각의 톱니형상의 지지돌기(45)는 장변(45a)과 단변(45b)을 가지며 단변(45b)은 외측 스페이서(32)가 다이어프램(10)과 결합될 때 도 3에서 보는 바와 같이, 플렉셔 블레이드(21, 23, 25)의 외측 테두리와 나란히 겹치도록 만들어지는 것이 바람직하고, 장변(45a)은 이러한 단변(45b)과 소정의 예각(β)을 이루도록 만들어지게 된다.

도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 외측 스페이서에 있어서, 톱니형상 지지돌기(45)의 장변(45a)과 단변(45b)이 이루는 예각(β)은 50°이다.

이렇게 형성되는 내측 스페이서(30)와 외측 스페이서(40) 각각에는 다이어프램(10)에 형성되어 있는 리벳 포인트(13,15,17,19)와 대응되는 부분에 리벳 포인트(31,35,42,46)가 형성됨으로써 다이어프램(10)과의 결합 시 사용될 뿐만 아니라 베어링의 내·외측에 장착되는 축 또는 하우징과의 고정 시 사용되게 된다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선형 플렉셔 베어링의 내·외측 스페이서를 도시한 평면도이고, 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다이어프램과 제 2 실시예에 따른 내·외측 스페이서가 조립된 선형 플렉셔 베어링을 도시한 평면도이다.

도 4를 참조하면, 상기 내·외측 스페이서(50, 60)는 제 1 실시예에 따른 선형 플렉셔 베어링의 내·외측 스페이서(30, 40)와 지지돌기를 제외하고는 동일하며, 도 5에서 보는 바와 같이, 상기 제 1 실시예에 따른 다이어프램(10)과 결합되어 사용된다.

내측 스페이서(50)의 허브 스페이서 아암(54a, 54b, 54c)에 형성되는 지지돌기(56)는 제 1 실시예에서와 마찬가지로 장변(56a)과 단변(56b)을 가지는 톱니형상으로 이루어지며, 장변(56a)과 단변(56b)은 서로 32°의 각을 이루도록 만들어진다. 따라서, 상기 제 1 실시예의 지지돌기(36)보다 더 길쭉한 형상을 갖게된다.

외측 스페이서(60)의 림 스페이서 아암(63a, 63b, 63c)에 형성되는 지지돌기(65)는 제 1 실시예에서와 마찬가지로 장변(65a)과 단변(65b)을 가지는 톱니형상으로 이루어지며, 장변(65a)과 단변(65b)은 서로 31°의 각을 이루도록 만들어진다. 따라서, 상기 제 1 실시예의 지지돌기(45)보다 더 길쭉한 형상을 갖게된다.

컴퓨터 모델링 해석

도 7에 도시된 종래의 선형 플렉셔 베어링(이하 '비교예'라 함)과 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 선형 플렉셔 베어링의 축 방향 강성도, 반경방향 강성도, 피로수명을 컴퓨터 모델링 해석을 통해 비교하였다.

각각의 예를 유한요소 구조해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 모델링 하였으며, 엘리먼트(element)는 shell 63번을 사용하였다. 각 베어링의 재료는 SUS이고, 동일한 경계조건과 동일한 단위 하중을 가하여 똑같은 조건을 부여하였으며, 거동은 비선형(nonlinear)으로 가정하였다.

각각의 예에 따르는 베어링의 물성치는 표 1과 같으며, 외측 반경(림의 외측 테두리 반경)은 70㎜이고 내측 반경(허브의 내측 테두리 반경)은 24㎜이며 각 플레이트, 즉 다이어프램의 두께는 0.12㎜이고 내·외측 스페이서의 두께는 변형이 일어나지 않을 정도의 충분한 강성을 갖는 두께로 가정하였다. 다이어프램을 사이에 두고 양쪽면에 내·외측 스페이서의 쌍이 각기 밀착 고정되는 것을 하나의 단위로 모델링하여 해석하였다. 실시예의 플레이트 두께는 비교예와 같은 것으로 하였다.

비교예에 따른 베어링은 총 element 10,970개, node 11,955개로 나누었으며, 제 1 실시예에 따른 베어링은 총 element 10,982개, node 12,532개로 나누었고, 제 2 실시예에 따른 베어링은 총 element 11,443개, node 12,900개로 나누었다. 외측 반경에 경계조건으로 all clamped를 주었으며, 축방향 강성도를 구하기 위하여 허브의 내측 테두리에 위치한 총 180개의 node에 단위 하중(1 N)을 나누어 축 방향으로 가하였다.

물성치	비교예	실시예 1	실시예 2
영률(E, Pa)	193e9	193e9	193e9
밀도(ρ, ㎏/㎥)	8000	8000	8000
포아송 비(υ)	0.27	0.27	0.27

이렇게 해석한 결과로 각 경우에 대하여 축 방향 강성도, 반지름 방향 강성도, Von Mises Stress, 및 축 방향 회전도(axial rotation)를 표 2에 비교하여 나타내었다.

구 분	비교예	실시예 1	실시예 2
축방향 강성도[N/m]	0.4955	1.1864	0.8127
반지름 방향 강성도[N/m]	658314.9	711133.8	701064.7
Von Mises 응력[MPa]	315	218	282
축방향 회전도[degree]	1.5459	0.3010	0.82

선형 플렉셔 베어링에 있어서는 축방향 강성도는 작을수록 바람직하고, 반지름 방향 강성도는 클수록 바람직하다. 또한 Von Mises 응력과 축 방향 회전도는 작을수록 향상된 것으로 볼 수 있다.

표 2의 해석결과를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2는 비교예에 비하여 축 방향 강성도의 개선은 다소 미흡하나 반지름 방향 강성도는 향상된 것을 볼 수 있으며, Von Mises 응력과 축 방향 회전도에 있어서도 비교예보다 실시예 1 및 실시예 2가 더 향상된 것으로 나타났다.

즉, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 선형 플렉셔 베어링이 비교예에 따른 선형 플렉셔 베어링에 비하여 전체적으로 향상된 성능을 나타내었다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 선형 플렉셔 베어링에 의하면, 높은 반지름 방향 강성도를 가지도록 설계함으로써 피스톤과 실린더 사이에 엄격하게 간격을 유지하여 가스 등의 누설을 방지할 수 있으며, 낮은 축 방향 강성도를 가지도록 설계함으로써 압축가스와 피스톤으로 구성되는 진동-질량 시스템의 고유 진동수의 영향을 피할 수 있는 효과가 있다.

또한 다이어프램에는 낮은 응력이 작용하도록 함으로써 베어링이 피로(fatigue)에 의해 쉽게 파괴되지 않고 긴 수명을 유지하도록 할 수 있다.

Claims (11)

1. 원형의 구멍이 가운데에 뚫려 있는 원형고리 형상의 허브(hub)와, 상기 허브의 중심에 대하여 서로 등각을 이루며 상기 허브의 바깥 둘레에 복수개가 방사상으로 형성되는 허브 아암(arm)과, 상기 허브 아암의 외측 끝단에 인접하여 상기 허브와 허브 아암을 둘러싸도록 형성되는 원형고리 형상의 림(rim)과, 상기 각각의 허브 아암의 일측 가장자리에 인접하도록 상기 허브의 중심에 대하여 서로 등각을 이루며 상기 림의 안쪽 둘레에 상기 허브 아암과 같은 개수가 방사상으로 형성되는 림 아암과, 서로 인접하지 않는 허브 아암과 림 아암의 마주보는 변 사이에 각각 소정의 폭을 가지면서 원호상으로 마련되어 상기 허브 아암과 상기 림 아암을 연결하는 복수 개의 플렉셔 블레이드(flexure blade)를 포함하는 다이어프램(diaphragm);

   상기 허브와 동일한 크기와 형상을 갖는 허브 스페이서(spacer)와, 상기 허브 스페이서의 바깥 둘레에 상기 허브 아암과 동일한 위치 및 형상을 갖도록 복수 개가 형성되는 허브 스페이서 아암과, 상기 플렉셔 블레이드와 연결되는 허브 아암의 일측 가장자리와 대응되는 상기 허브 스페이서 아암의 가장자리에 형성되는 지지돌기를 포함하고, 상기 허브에 형상이 일치하도록 고정되는 내측 스페이서; 및

   상기 림과 동일한 크기와 형상을 갖는 림 스페이서와, 상기 림 스페이서의 안쪽 둘레에 상기 림 아암과 동일한 위치 및 형상을 갖도록 복수 개가 형성되는 림 스페이서 아암과, 상기 플렉셔 블레이드와 연결되는 림 아암의 일측 가장자리와 대응되는 상기 림 스페이서 아암의 가장자리에 형성되는 지지돌기를 포함하고, 상기 림에 형상이 일치하도록 고정되는 외측 스페이서;

   를 포함하는 선형 플렉셔 베어링.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다이어프램을 사이에 두고 상기 다이어프램의 각 측면에 내측 스페이서 및 외측 스페이서가 적어도 한 쌍씩 고정되는 것을 특징으로 하는 선형 플렉셔 베어링.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 다이어프램은 3개의 허브아암이 상기 허브의 중심에 대하여 서로 120°의 간격을 가지도록 형성되고, 3개의 림 아암이 상기 허브 아암과 각각 인접하여 상기 허브의 중심에 대하여 서로 120°의 간격을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 플렉셔 베어링.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 플렉셔 블레이드는 상기 허브의 중심에 가까이 위치하는 것일수록 그 폭이 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 플렉셔 베어링.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 다이어프램은 서로 인접하지 않는 허브 아암과 림 아암이 각각 3개씩의 플렉셔 블레이드로 연결되는 것을 특징으로 하는 선형 플렉셔 베어링.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 허브 스페이서 아암에 형성되는 지지돌기는 톱니형상을 가지며, 서로 인접하지 않는 허브 아암과 림 아암의 마주보는 변 사이에 마련되는 상기 복수 개의 플렉셔 블레이드에 각각 대응되게 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 플렉셔 베어링.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 톱니형상의 지지돌기는 상기 다이어프램의 플렉셔 블레이드의 외측 테두리와 나란히 겹치도록 형성되는 단변과, 이 단변과 소정의 예각(α)을 이루도록 형성되는 장변을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 선형 플렉셔 베어링.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 톱니형상 지지돌기의 장변과 단변이 이루는 예각(α)은 30°내지 52°의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 선형 플렉셔 베어링.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 림 스페이서 아암에 형성되는 지지돌기는 톱니형상을 가지며, 서로 인접하지 않는 허브 아암과 림 아암의 마주보는 변 사이에 마련되는 상기 복수 개의 플렉셔 블레이드에 각각 대응되게 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 플렉셔 베어링.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 톱니형상의 지지돌기는 상기 다이어프램의 플렉셔 블레이드의 외측 테두리와 나란히 겹치도록 형성되는 단변과, 이 단변과 소정의 예각(β)을 이루도록 형성되는 장변을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 선형 플렉셔 베어링.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 톱니형상 지지돌기의 장변과 단변이 이루는 예각(β)은 30°내지 52°의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 선형 플렉셔 베어링.