KR100586041B1 - 자기식 지지 시스템 - Google Patents

Abstract

제1 자석(61); 인력부재(65); 상기 제1 자석(61)에 반발력(F2)을 그리고 상기 인력부재(65)에 인력(F1)을 작용시키기 위해 상기 제1 자석(61)과 상기 인력부재(65) 사이에 설치된 제2 자석(63)을 포함하여 이루어진 지지 시스템용 지지요소및 이를 이용한 자기식 지지 시스템이 개시되어 있다.

Description

자기식 지지 시스템{MAGNETIC SUPPORT SYSTEM}

목적물이 진동없이 지지될 수 있는 지지 시스템이 필요하여 왔다. 예를 들자면, 목적물이 주변환경에 관계없이 마치 자유로이 떠있는 것처럼 동작하는 것을 관찰할 수 있다. 그러한 목적물은 시험장치가 설치될 수 있는 플랫폼이나 작업대가 될 수 있는데, 그리하여 본 발명은 그러한 구체적인 실시예에 대해 이하에서 기술될 것이다. 그러나 다른 실시예도 있을 수 있으며, 예컨대 위치확보 시스템에서의 특정한 부품같은 것이다.

그런 플래폼에서 중요하게 요구되는 점은 플랫폼이 진동을 받지 않고 위치를 유지하여야 한다는 것인 바, 예컨대 주위의 진동이 플랫폼에 영향을 주지 않고 그 위에 설치된 시험기구에도 진동이 전달되지 않아야 한다는 것이다. 이렇게 하기 위해서는, 플랫폼이 어느 정도 고정계(바닥)에 대해 지지되어 있어야 하는 문제점을 수반하는데, 상기 고정계는 일반적으로 진동에 노출되어 있다.

일반적으로 플랫폼의 지지부는 스프링 시스템으로 간주될 수 있는데, 바깥계에서의 진동은 스프링 시스템에서 길이방향 진동을 유발할 수 있으며, 이 길이방향 진동은 스프링 시스템에 의해 플랫폼에 작용하는 힘(F)으로부터 진동으로 변환된다. 이 힘(F)은 일반적으로 잘 알려진 다음의 식으로 표시되는데,

, 여기서 x는 길이를, k는 스프링 시스템의 강성(stiffness)을 나타낸다. 진동이 없는 지지 시스템을 위해서는, k가 가능한 작은 것이 바람직하다.

종래에는 낮은 강성을 갖는 감쇠요소(damping elements)가 지지 시스템에 포함되었는데, 이러한 감쇠요소는 예컨대 지지 시스템이나 길고 약한 서스펜션에서 고무블럭이 될 수 있고, 플랫폼은 중량물로 구성되거나 중량물에 부착될 수 있다. 감쇠요소의 낮은 강성으로 인해 진동력은 상대적으로 낮고, 플랫폼의 중량물로 인해 진동력으로 유발된 진폭은 상대적으로 작다. 그러나 이러한 종래의 접근법은 충분한 해결책이 되지 못했다.

플랫폼의 지지대가 강성이 0인 작동점을 갖는 지지 시스템에 의해 보다 나은 결과를 얻을 수 있는데, 상기 작동점 부근의 어떤 작동영역안에서는 강성이 특히 낮은 값을 가진다. 그러나 종래의 0의 강성을 가진 지지 시스템은 많은 단점을 가지고 있는데, 이하에서 더욱 자세히 기술될 것이다.

본 발명의 중요한 목적은 이러한 종래기술의 단점을 실질적으로 해소하기 위한 것이다.

특히 본 발명은, 플랫폼과 고정계 사이에 기계적인 접촉이 없는 0의 강성을 가진 지지 시스템을 제공하기 위한 목적을 가지는데, 지지하는 데에 있어서 외력이 필요없고, 특히 간단하고 집적된 구조를 가지는 시스템을 제공한다.

본 발명의 중요한 실시예에 따르면, 위치유지 시스템은 적어도 두 개의 전기식 또는 자기식 커플링(couplings)을 구비하되, 그 중 하나는 플랫폼에 양의 강성의 반발력을 작용시키고, 나머지는 플랫폼에 음의 강성의 인력을 작용시키며, 상기 힘들의 합은 작업점에서 0의 강성을 갖는 식으로 이루어져 있다.

본 발명의 이와 같은 그리고 다른 장점과 특징은 본 발명의 실시예로서 이하에서 기술될 것이며, 첨부되는 도면을 참조로 하여 바람직한 실시예에 대해 기술될 것이다.

도 1a와 1b는 기본적인 지지부 설치를 개략적으로 나타내고,

도 2 내지 도4는 중력보상이나 0의 강성을 얻기 위한 종래의 구조를 개략적으로 나타내며,

도 5a와 5b는 두 개의 연동하는 자기식 커플링에 의해 0의 강성을 얻는 본 발명의 원리를 개략적으로 나타내며,

도 6은 본 발명에 따른 지지요소의 구체적인 실시예를 개략적으로 나타내며,

도 7a와 7b는 도 6에 보인 본 발명에 따른 지지요소의 변형례이고,

도 8a와 8b는 도 6에 보인 본 발명에 따른 지지요소를 조정하거나 변화시킬 수 있게 하기 위한 구조를 개략적으로 나타내며,

도 9는 본 발명에 따라 구체적으로 실시된 지지요소를 갖춘 시험장치를 개략적으로 나타내며,

도 10은 본 발명에 따라 구체적으로 실시된 지지요소의 성능을 그래프로 나타내는 도면이다.

도 1a, 1b는 고정계(2)에 대한 플랫폼(1)의 지지(A)와 서스펜션(B)의 기본을 나타낸다. 이하에서는, 플랫폼과 고정계 사이의 관계를 나타내는 기본 용어로서 '커플링', '지지'가 사용될 것이다.

지구중력하에서는, 중력(Fz)은 항상 플랫폼(1)에 작용하고, 플랫폼을 정위치에 유지하기 위하여 플랫폼은 중력을 보상하는 반력에 의해 지지되어야 한다. 지지의 경우, 플랫폼(1)은 플랫폼에 압력(F1)을 작용하는 지지부재(3) 위에 놓이고, 이 압력(F1)은 상기 지지부재(3)에서 위로 작용하므로 이 힘은 반력이라 할 수도 있다. 서스펜션의 경우에는, 플랫폼(1)은 인장력(F2)이 발생하는 서스펜션 부재(4)로부터 매달리고, 이 인장력(F2)은 서스펜션 부재(4) 쪽으로 향하므로, 이 힘은 인력으로 말할 수도 있다.

힘의 평형에 대해서는, 압력(F1)과 인장력(F2)는 플랫폼(1)에 작용하는 중력과 그 크기가 정확히 일치한다.

본 기술분야에 숙련된 사람에게는 쉽게 이해될 수 있겠지만, 실제로는, 플랫 폼(1)은 최소한으로 상기 부재들(3, 4)중의 셋으로 지지되고 힘의 평형은 상기 모든 부재들(3, 4)에 같이 작용한다. 이런 세 부재들(3, 4)은 직선상이 아닌 다른 세 위치에 배치된다. 도 1a, 1b는 서로 다른 두 위치의 두 부재들(3, 4)를 보여준다. 이하에서는, 이런 다른 위치는 용어 '지지위치'로 불릴 수도 있으며, 하나의 지지위치에 배치된 지지부재(3)나 서스펜션 부재(4)는 같이 용어 '지지요소'로 불릴 수 있을 것이다.

하중이 플랫폼(1) 위에 놓이면, 힘의 평형이 다시 이루어지고, 압력(F1)이나 인장력(F2)은 증가한다. 이렇게 되면 지지부재(3)는 약간 압축되고 서스펜션 부재(4)는 약간 늘어난다. 정지상태에서는, 플랫폼(1)의 수직변위(Δz)와 힘의 변화(ΔF)는, 적어도 근사적으로는(작은 Δz 값에서), 아래 식에 따라 서로 비례한다.

ΔF = kㆍΔz (1)

여기서 k는 강성인데, 그 값은 특히 부재(3, 4)의 재질에 따라 정해진다.

역으로, 고정계(2)에서 진동이 일어나면, 그러한 진동은 부재(3, 4)에서 길이방향 변위 (Δz)를 일으키고, 그 결과로 힘에서의 변화(ΔF)가 플랫폼(1)에 작용한다. 힘에서의 그러한 변화로 인해 플랫폼(1)에서 진동이 발생한다.

만약 플랫폼(1)에서 진동이 없어야 된다면, 부재(3, 4)는 가능한 작은 강성을 가지도록 설계될 것이다. 예컨대 지지부재(3)는 고무블럭이 될 수 있고, 서스펜션 부재(4)는 길고 약한 스프링이 될 수 있다. 더 나아가, 플랫폼의 질량이 상당히 크게 선택될 수도 있다. 기술된 바와 같이, 그렇게 얻어진 결과는 진동이 없어야 되는 요구가 강한 곳에서는 불만족스런 것이다. 그리하여 k가 0인 장치에 대한 필요성이 대두되었다.

도 2는 플랫폼(1)의 서스펜션에 대한 간단한 구조를 나타내고 있다. 그런 서스펜션 중에서, 간명함을 위해, 단 하나의 지지요소(10)만이 도 2에 나타내었다. 풀리(11)를 지난 케이블(13)에 의해 플랫폼(1)은 반대중량(counterweight, 12)에 연결되어 있다. 그리하여 작용하는 힘은 이런 점에 있어서 위치독립적이고, 플랫폼에서의 진동은, 있다고 해도, 거의 고정계(2)에 전달되지 않는다(그 방향으로는 k는 0이다). 이상적인 경우에는, 반대중량(12)에 의해 플랫폼(1)에 작용하는 인장력(F2)은, 플랫폼이 수직방향으로 변위되어도, 변하지 않음이 이해될 수 있을 것이다. 그러나 고정계(2)의 진동이 풀리(11)와 케이블(13)을 통해 바로 플랫폼(1)으로 전달되기 때문에, 도 2의 장치는 이상적인 것과는 거리가 멀다. 게다가, 반대중량과 풀리를 수용하기 위한 필요공간도 상당히 크다는 단점도 있다.

도 3은 k가 적어도 근사적으로는 0인 지지요소(20)에 대한 기계적 구조를 나타내고 있다. 우선, 플랫폼(1)은 나선 스프링(21)에 의해 지지되는데, 이 스프링은 수직압력(F1)을 작용하며, 따라서 도 1a에서의 지지부재(3)과 비교될 수 있다. 수평으로 향한 압축 스프링(22)에 의해 플랫폼(1)은 횡방향으로 고정계(2)에 연결되어 있고, 압축 스프링(22)은 그 종방향을 따라 향한 압축력(F3)를 작용한다. 플랫폼(1)이 윗쪽으로 이동하면 나선 스프링(21)에 의해 작용하는 압축력(F1)은 감소한다. 그러나 압축 스프링(22)은 그 수평위치에서 동시에 약간 위로 들리게 되어 압축 스프링에 의해 작용하는 압축력(F3)은 수직성분을 갖게 된다. 적절히 균형잡힌 설계에서는, 압축력(F3)의 수직성분은 정확히 압축력(F1)의 감소분을 보상한다.

도 3의 장치는 마찬가지로 많은 단점을 가지고 있다. 고정계(2)에서의 진동이 압축 스프링(22)의 기계적 연결을 통해 바로 플랫폼(1)으로 전달된다. 게다가 이 시스템은 상기 스프링(21, 22)의 공진 때문에 10 내지 100 Hz 사이의 특정한 진동수에서 특히 민감하게 된다. 또 상기 스프링(21, 22)은 상당한 공간을 차지한다. 게다가 제작상의 오차 때문에 사용될 스프링(21, 22)의 특성을 정확히 예측하기가 극히 어려운데, 이것은 그러한 지지요소(20)를 설계하는 것이 아주 어려워서 재생산성이 거의 없다는 것을 의미한다.

도 4는 지지요소(30)의 전기자기적 구조를 개략적으로 나타내는데, 여기서 k는 근사적으로 0이다. 고정계(2)에 연결된 자기 요크(magnet yoke, 22)의 공기갭에 위치한 전기코일(31)이 플랫폼(1)에 연결되어 있다. 자기 요크(22)에 의해 전기코일(31)에 작용하는 힘(로렌쯔 힘 F_L = BㆍIㆍl)은 상기 코일(31)의 축위치에 무관한데, 당기술분야에 익숙한 사람이라면 누구나 이해할 수 있는 것이다. 이 로렌쯔 장치의 중요한 단점은 이 장치가 사용중에 지나치게 많은 전기에너지를 필요로 하는 것이다. 더욱이, 에너지의 소실로 이 장치는 사용중에 많은 열이 발생된다는 단점도 있다.

IEEE의 자기학회지(Vol.61, no.1, 1995. 1., p.885)에 K. Nagaya 등이 기고한 "전자기적 제어를 구비한 무접촉 영구자석 부양 테이블 및 최적 조절기를 결합하여 직접방해 제거법을 사용한 진동차단방법"에는, 작업대가 영구자석에 의해 매달려 있는 장치가 기술되어 있다. 영구자석은 장치의 작업점에서 중력을 보상하지만 강성은 0이 아니다. 이에 관한 결과는 전자석에 의해 해결을 시도할 수 있는데, 복잡하고 컴퓨터로 제어되는 조절기가 필요하고, 상당히 많은 에너지를 필요로 한다.

본 발명의 중요한 실시예에 따르면, 지지요소(50)는 모두 Z방향 성분을 가지는 두 개의 결합된 자기식 또는 정전기식 커플링(couplings)을 포함하여 이루어지고, 이들 커플링의 각각의 강성은 서로 다른 부호를 가진다. 이 실시예는 자기식 커플링의 예로서 도 5a, 5b에 도시되어 있다. 도 5a에는, 플랫폼(1)과 고정계(2) 사이의 제1 자기 커플링은 참조부호 51로 표시되어 있고, 플랫폼(1)과 고정계(2) 사이의 제2 자기 커플링은 참조부호 52로 표시되어 있으며, 예시된 두 커플링(51, 52)은 축방향으로 정렬되어 있고, 실질적으로 수직으로 배치되어 있다. 달리 말하면, 두 커플링(51, 52)은 동일하게 수직으로 향한 작용선에 따라 움직이며, 이 방향은 Z-방향이라고 부른다. 지지요소(50)의 지지위치는 상기 작용선의 X,Y좌표로 정의되지만, 간단히 하기 위해 도면에는 도시되어 있지 않다.

이 실시예의 작동원리를 더 상세히 설명하기 위해 도 1과 식 (1)을 다시 참조로 한다. 위에서 도 1a, 1b에서 개략도로서 설명한 바와 같이, 플랫폼(1)이 힘의 방향에 거슬러 변위하면, 부재(3, 4)에 의해 작용되는 힘(F1, F2)은 각각 증가하게 된다. 역으로, 힘의 작용방향으로 변위하면 작용되는 힘은 감소하게 된다. 본 발명의 틀내에서는 강성 k는 이런 상태에서는 음(-)이 될 것이다.

도 5b는 언급된 중요한 실시예의 결과를 나타내기 위해 플랫폼(1)에 작용하 는 어떤 힘을 플랫폼(1)의 위치에 대해 나타낸 그래프이다. 좌표축에서 Z축의 양의 방향은 수직상부를 향한다. 도 5b는 세 개의 곡선을 나타내는데, 제1 곡선은 제1 자기 커플링(51)에 의해 작용된 인장력(F1)을 나타내고, 제2 곡선은 제2 자기 커플링(52)에 의해 작용된 압축력(F2)을 나타낸다. 도 5b는 각각의 자기 커플링(51, 52)와 관련된 강성 k₅₁, k₅₂가 서로 다른 부호임을 보여주고 있는데, k₅₁은 양이고 k₅₂는 음이다. 여기서 강성 k₅₁, k₅₂는 z의 함수로서 상수일 필요가 없다는 것을 알 수 있는데, 이것은 F1과 F2 곡선의 곡률변화로 알 수 있다.

도 5b에서 제3 곡선은 합력 F_TOT = F1 + F2를 나타낸다. 어떤 수직위치 Z₀에서 강성 k₅₁, k₅₂ 이 서로 동일한 값을 가지면, 그 점에서 F_TOT 는 z에 종속되지 않는다(유효강성 k_TOT = k₅₁ + k₅₂ = 0). 상기 위치 Z₀는 작업점(working point)로 불린다.

그리하여 상기 작업점 Z₀에서, 자기 커플링(51, 52)에 의해 형성된 지지요소(50)는 정확히 0인 유효강성을 갖는다. 작업점 Z₀에 대해 플랫폼(1)의 수직위치가 약간 벗어나면, 유효강성은 더이상 정확히 0이 아니고, 아주 작은 양의 값 또는 음의 값을 가지는데, 그 값은 z의 함수로서 정확히 k₅₁, k₅₂ 의 경로에 의존한다. 그러나, 작업영역을 유효강성 k_TOT이 소정의 한계치보다 작은 z₀ 주위로 정의하는 것이 가능하다.

k₅₁과 k₅₂ 가 모든 z 값에 대해 동일한 부호를 가질 필요는 없다는 것을 알 수 있는데, k₅₁과 k₅₂ 가 z₀ 주위의 특정한 지역에서 서로 반대부호를 가지면 충분하다.

본 발명의 다른 중요한 실시예에 따르면, 상기한 두 개의 자기 커플링(51, 52)은 영구자석으로 이루어질 수 있다. 영구자석은 다음과 같은 이점이 있다.

- 힘은 직접적인 기계적 접촉없이 작용한다;

- 영구자석은 힘을 작용시키기 위해 전기에너지와 같은 외부 에너지의 공급을 필요로 하지 않는다.

- 적절한 재료의 선택을 통해 비교적 작은 영구자석으로 상대적으로 큰 힘을 작용시킬 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 지지요소(50)의 가능한 제1 실시예를 나타낸다. 이 지지요소(50)는 고정계(2)에 대해 고정된 제1 영구자석(61)을 포함하는데, 제1 영구자석(61)의 자기축(62)은 실질적으로 수직으로 향하고 있다. 이 지지요소(50)는 추가로 플랫폼(1)에 대해 고정된 제2 영구자석(63)을 포함하는데, 제2 영구자석(63)의 자기축(64)은 실질적으로 수직으로 향하고 있고, 실질적으로 제1 영구자석(61)의 자기축(62)과 일렬로 정렬되어 있다. 두 개의 영구자석(61, 63)은 마주보는 같은 극으로 서로에 대해 반발력(F2)을 작용하는데, 도 6에는 두 영구자석(61, 63)의 N극이 서로를 향하도록 되어 있다. 두 영구자석(61, 63)의 결합은 도 5a의 음의 강성을 가진 제2 자기 커플링(52)을 정의한다.

지지요소(50)은 추가로 제2 영구자석(63)의 상부에 설치된 인력부재(attraction member,65)를 포함하는데, 인력부재에 대해 제2 영구자석(63)은 인력(F1)을 작용시킨다. , 바람직하게는 자성에 차단되어 고정계(2)에 대해 고정되는데, 예컨대 알루미늄과 같은 재료로 만들어진 지지대(66)로 고정된다. 제2 영구자석(63)과 인력부재(65)의 결합은 도 5a의 양의 강성을 가진 제1 자기 커플링(51)을 정의한다.

도 7a, 7b는 도 6에 도시된 실시예의 변형을 나타내는데, 모두 공통적으로 양의 강성을 가지는 제1 영구자석 자기장이 존재하고(자기 커플링(51)), 두 자기장이 플랫폼(1)에 작용하여 플랫폼(1)에 수직성분력을 가진 힘을 작용시킨다.

도 7a에 도시된 변형예에서, 제2 영구자석(63)은 제2 자기 커플링(52)을 제공하기 위해 제1 영구자석(61)과 상호작용하는 데 있어서 배타적으로 놓이게 된다. 제1 자기 커플링(51)을 제공하기 위해 인력부재(65)와 상호작용하는 데 있어서 제3 영구자석(71)이 플랫폼(1)에 대해 고정되어 있고, 그 자기축(72)은 다른 자기축(62, 64)과 일렬로 정렬되어 놓일 수 있다. 여기서 제3 영구자석(71)의 방향(N-S 또는 S-N)은 중요하지 않음을 알 수 있다. 그러나 영구자석들(71, 63)이 서로 당길 수 있도록 제3 영구자석(71)은 N극이 아래로 되게 배치하는 것이 좋다.

도 7b에 도시한 변형예에서는, 인력부재(65)가 제4 영구자석(73)으로 대체되어 있는데, 그 자기축(74)은 실질적으로 수직으로 향해 있고 제2 영구자석(63)의 자기축(64)과 정렬되어 있다. 제4 영구자석(73)은 제2 영구자석(63)의 극방향과 동일하게 배치되어 있는데, 이 경우에는, 제4 영구자석(73)의 N극이 제2 영구자석(63)의 S극을 향해 있다는 것을 의미한다.

다른 변형예도 가능함은 자명한 사실이다. 도 7a와 7b에 보인 변형예의 결합도 가능한데, 즉, 제3 영구자석(71)과 제4 영구자석(73)을 같이 사용하는 것도 가능한 것이다.

이상에서 개략적으로 이 시스템이 강성이 정확히 0인 단 하나의 작업점 z₀ 을 가지는 것으로 설명하였는데, 실제로는, 시스템을 그 작업점 z₀ 에 정확히 맞추어 작업하는 것은 어려울 것이며, 시스템이 한번 그 작업점 z₀ 에서 벗어나면 그 작업점 z₀ 에서 점점 더 멀어지고 말 것이다.

게다가, 실제로는 플랫폼(1)은 크기가 변하는 외력을 받을 수도 있는 바, 그 경우 플랫폼을 정위치에 유지시키기 위해서는 시스템에 의해 플랫폼에 가해지는 힘을 상기 변하는 외력에 맞대응시켜야 할 것이다. 다시 말하면, 그 경우에 지지요소들은 바람직하게는 외력에 대해 보다 큰 겉보기 강성(apparent stiffness)을 가져서 진동으로부터 벗어나 있게 할 수 있다.

또한, 실제로는 작용점을 플랫폼의 다른 수직위치로 이동시키는 것도 바람직한 방법이 될 수 있다.

도 8a, 8b는 본 발명에 따라, 간단한 방법으로 고정된 작용점에서 관련된 힘의 총합 F₀ 을 변화시키는 것이 가능함을 보여주며, 또는 고정된 힘의 총합 F₀ 에서 작용점 z₀을 이동시키는 것이 가능함을 보여준다. 이 점에 있어서, 원리적으로 두 가지 변형예(및 그 결합)를 고려할 수 있는데, 그 첫변형예는 영구자석들에 의해 작용되는 힘을 조절하는 것이고(공간갭 변화, 도 8a), 두번째 예는 힘의 크기가 조절되는 추가의 힘을 가하는 것이다(도 8b).

도 8a는 어떤 적절한 변위부재(81)에 의해 제1 영구자석(61)을 축방향으로 즉, z축을 따라 이동시킬 수 있게 된 것을 나타낸다. 그리하여 시스템을 정적으로 유지하는 것을 실현할 수 있으며, 동적 진동을 보상하는 것도 또한 가능하다. 상기 변위부재(81)는 제어수단(83)에 의해 제어되는 모터(82)에 의해 구동될 수 있는데, 상기 제어수단(83)은 무접촉 위치센서(84)로부터 플랫폼(1)의 정확한 위치에 관한 정보를 받을 수 있다. 물론, 인력부재(65)나 제4 영구자석(73)을 z축 방향으로 변위시키는 것도 가능하다.

도 8b는 플랫폼(1)에서 외력 발생기(85)에 의해 추가력이 작용될 수 있음을 보여준다. 바람직하게는, 외력은 무접촉이고, 외력 발생기(85)는 도시된 바와 같이 고정계(2)에 대해 고정된 전기코일로 되어 있다. 또 바람직하게는, 외력 발생기(85)가 인력은 물론 반발력을 작용시킬 수 있도록 도시된 바와 같이 외력 발생기(85)는 제2 영구자석과 같은 플랫폼(1)에 부착된 영구자석과 상호작용하도록 하는 것이 좋다. 외력 발생기(85)는 제어수단(87)에 의해 제어되는 전원(86)으로부터 전원을 공급받으며, 상기 제어수단(87)은 무접촉 위치센서(88)로부터 플랫폼(1)의 정확한 위치에 관한 정보를 받을 수 있다.

다른 방법으로는, 상기 외력 발생기(85)는 로렌쯔 액튜에이터도 될 수 있다.

외력 발생기(85)는 다른 힘 발생기(자석)와 반드시 나란히 배열될 필요는 없다.

실시예

도 9는 본 발명에 따른 지지요소의 구체적인 실시예에 대한 개략적인 단면도를 나타낸다. 두 개의 영구자석(61, 63)은 원형단면으로 디스크 형태를 한 보통 구입할 수 있는 NdFeB 자석으로서, 25mm의 직경과 10mm의 두께로 되어 있다. 인력부재(65)는 철과 같은 재질로 만들어져서 원형단면으로 디스크 형태를 하고, 72mm의 직경과 10mm의 두께로 되어 있다.

자력선의 유도와 집중을 위해, 낮은 쪽의 자석(61)은 쇠용기(91) 안에 배치되어 있고, 쇠용기는 바닥과 벽이 6mm의 두께로 되어 있다. 이 쇠용기(91)의 안쪽 직경은 32mm이다. 영구자석(61)과 쇠용기(91)의 벽 사이에 PVC 위치링(92)이 배치되어 있다. 같은 이유로, 상부 영구자석(63)이 쇠로 된 환형용기(93) 안에 배치되어 있으며, 그 환형용기는 내부직경이 32mm이고, 외부직경이 50mm이며, 높이가 10mm이다. 상부 영구자석(63)과 환형용기(93) 사이에 PVC 위치링(94)이 배치되어 있다.

테스트 장치에서는 인력부재(65)와, 하부 자석(61)을 구비한 쇠용기(91)는 서로 상대적으로 고정시키기 위해 프레임(95)에 장착되어 되어 있다. 인력부재(65)의 바닥면과 하부 자석(61)의 상부면 사이의 거리는 14mm로 되어 있다. 환형용기(93)는 축방향으로 이동가능하게 된 클램프(96)에 고정되어 있다. 클램프(96)는 환형용기(93)에 축방향으로 작용하는 힘을 측정하기 위하여 (예컨대 스트레인 게이지와 같은)힘 감지기(97)를 구비하고 있다. 또한 이 장치는 환형용기(93)의 위치를 측정하기 위하여 거리 감지기(98)를 구비하고 있다.

도 10은 테스트 장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 상부 영구자석(63)의 바닥면과 하부 자석(61)의 상부면 사이의 거리인 z는 수평축으로 나타나 있고, 곡선 F는 중력을 제외하고 환형용기(93)에 작용하는 힘을 나타내며(눈금은 오른쪽 수직축에 표시), 곡선 k는 이러한 측정치로부터 계산한 강성을 나타낸다(눈금은 왼쪽 수직축에 표시). 작용점에서의 힘은 약 185N이다. 작업점에서의 강성곡선의 기울기는 약 11 N/mm² 이며, 이것은 작업점 주위에 ±5㎛의 작업영역에서 강성이 55 N/m보다 작다는 것을 뜻한다.

일차원(수직방향)으로 0의 강성을 가지며 위치유지를 위해, 원칙적으로 플랫폼(1)의 한 점에 작용하는 영구자석들(61, 63)의 결합에 대한 무접촉 위치유지 시스템을 실현하는 방법이 앞에서 기술되었다. 수직방향에 관한 한, 최소한으로 세개의 서스펜션 결합(일렬이 아닌)으로 플랫폼(1)의 완전한 지지를 달성할 수 있다는 것은 당업계의 숙련자라면 누구나 이해할 수 있을 것이다. 물론 플랫폼(1)도 두개의 수평방향(X, Y)에서 유지되어야 한다. 우선, 종래의 수단이 그런 목적으로 사용될 수 있다. 그러나, 모든 6자유도(X, Y, Z 방향에서의 직선운동, X, Y, Z 축 둘레의 회전운동)에서 0의 강성이 얻어지는, 보다 개량된 위치유지 시스템이 필요하다. 그러한 6자유도에서의 운동은 서로 독립적이지 않으므로 그러한 필요성은 문제를 아주 복잡하게 만든다. 특히나, 일반적으로 횡강성(lateral stiffness)은 0의 값이 아니다. 도 6의 영구자석(61, 63)에 대해서는, 다음과 같이 생각할 수 있다. 만약 플랫폼(1)이 오른쪽으로 일정거리만큼 이동하면, 두개의 영구자석(61, 63) 사이의 반력은 수평성분을 가지게 된다.

청구범위로 정해지는 본 발명의 보호범위는 이상에서 기술되고 도면으로 보인 실시예에 한정되지 않는다는 것은 당업자에게는 자명한 사실이며, 오히려 본 발명의 사상내에서 본 발명에 따른 지지 시스템의 실시예를 변경하거나 개량하는 것도 가능하다. 예컨대, 더 크거나 더 작은 자석을 사용하거나 다수의 자석을 배열시키는 것도 가능하다.

또한, 플랫폼 자체를 자석으로 하여 별도의 영구자석(63)을 제외시키는 것도 가능하다.

또 개별 자석을 굳이 일렬로 배열시키지 않아도 된다.

앞에서 특히 중력의 관점에서 수직 작용력을 가지는 지지 시스템의 예를 기술하였지만, 본 발명은 수평방향 또는 다른 방향에 대해서도 적용할 수 있음은 자명하다.

위에서는 본 발명에 따른 장치가 하나의 운동 자유도, 즉 수직이동에 있어서 0의 강성이 된다고 설명하였다. 완전하게 하기 위해서는, 기술된 구조는 또한 임의의 축에 대한 회전에 대해서도 0의 강성을 가지며, 전체적으로는 4자유도에서 0의 강성을 가지게 된다.

앞에서 본 발명은 반발력과 인력을 가지는 자기 커플링에 대해 설명되었지만, 본 발명은 정전기 커플링(역장, force fields)으로도 실현할 수 있으며, 그 경우는 예컨대 일렉트릿(electrets)이 사용될 수 있다.

앞에서 본 발명은 영구자석으로 실현된 자기 커플링에 대해 기술되었는데, 이 방법이 바람직하긴 하지만, 전자석을 이용하여도 본 발명을 실현할 수 있음은 자명한 사실이다.

본 발명은, 플랫폼과 고정계 사이에 기계적인 접촉이 없는 0의 강성을 가진 지지 시스템을 제공하기 위한 목적을 가지는데, 지지하는 데에 있어서 외력이 필요없고, 특히 간단하고 집적된 구조를 가지는 시스템을 제공한다.

Claims (14)

1. 플랫폼(1)에 자기적 또는 전자기적 또는 정전기적 인력(F1)을 발생시키기 위한 자석, 전자석 또는 일렉트릿과 플랫폼(1)에 자기적 또는 전자기적 또는 정전기적 반발력(F2)을 발생시키기 위한 자석, 전자석 또는 일렉트릿을 포함하여 이루어지되, 상기 인력과 반발력(F1, F2)은 서로 반대되는 부호의 강성(k₅₁, k₅₂)을 가져서, 작업점(z₀)에서 힘의 총합(F_TOT = F1 + F2)은 실질적으로 0의 강성(k_TOT)을 가지도록 된, 고정계(2)에 대해 플랫폼(1)을 진동없이 지지하기 위한 자기식 지지 시스템.
2. 제1항에 있어서, 제1 자석(61); 인력부재(65); 상기 제1 자석(61)에 반발력(F2)을 그리고 상기 인력부재(65)에 인력(F1)을 작용시키기 위해 상기 제1 자석(61)과 상기 인력부재(65) 사이에 설치된 제2 자석(63)을 포함하여 이루어지되, 상기 제1 자석(61)과 상기 인력부재(65)는 상기 고정계(2)에 대해 고정되고 상기 제2 자석(63)은 상기 플랫폼(1)에 대해 고정되어 있는 지지요소를 적어도 하나를 포함하여 이루어진 자기식 지지 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 반발력과 인력(F1, F2)은 실질적으로 일직선상에서 작용하도록 된 자기식 지지 시스템.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 인력과 반발력(F1, F2)은 서로 반대되는 부호의 강성(k₅₁, k₅₂)을 가져서, 작업점(z₀)에서 힘의 총합(F_TOT = F1 + F2)은 실질적으로 0의 강성(k_TOT)을 가지도록 된 자기식 지지 시스템.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 인력부재(65)는 철과 같은 자성을 띨 수 있는 재료로 만들어진 지지요소.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 인력부재(65)는 추가의 자석(73)으로 이루어진 자기식 지지 시스템.
7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 자석(61)의 축방향 위치나 상기 인력부재(65)의 축방향 위치를 변경시키기 위한 변위부재(81)가 설치된 자기식 지지 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 제2 자석(63)의 축방향 위치가 실질적으로 일정하게 하기 위해, 상기 변위부재(81)를 제어하는 모터(82)와 제어수단(83) 및 위치센서(84)가 설치된 자기식 지지 시스템.
9. 제2항 또는 제3항에 있어서, 외부의 자기장을 발생시키기 위한 외력 발생기(85)가 추가로 설치된 자기식 지지 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 제2 자석(63)의 축방향 위치가 실질적으로 일정하게 하기 위해, 외부의 자기장을 발생시키기 위한 상기 외력 발생기(85)를 제어하는 전원(86)와 제어수단(87) 및 위치센서(88)가 설치된 자기식 지지 시스템.
11. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 자석은 영구자석으로 된 자기식 지지 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 영구자석은 NdFeB로 만들어지는 지지요소.
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