KR100609884B1 - 3 자유도 미소변위 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3 자유도 미소변위 구동장치에 관한 것으로, 이 3 자유도 미소변위 구동장치(1)는 압전세라믹으로 이루어진 제1 미소이동수단(2)과 마그네트로 이루어진 제1 작동매체(3)와 팬 구동 회전판(4) 및 팬 구동 베이스(5)로 이루어진 팬 운동부(6)와, 압전세라믹으로 이루어진 제2 미소이동수단(7)과 마그네트로 이루어진 제2 작동매체(8)와 틸트 구동 회전판(9) 및 틸트 구동 베이스(10)로 이루어진 틸트 운동부(11)와, 직선 구동 지그(12)와 압전세라믹으로 이루어진 제3 미소이동수단(13)과 마그네트로 이루어진 제3 작동매체(14) 및 직선 구동 샤프트(15)로 이루어진 직선 운동부(16)를 포함하여 구성된 것으로, 상기 3 자유도 미소변위 구동장치는 일련의 구동장치들이 상호간에 연동되게 연결설치됨으로써 백래시를 감소시키고, 이에 따라 나노미터 정도로 정밀하게 3 자유도 구동을 수행할 수 있으며, 상기 구동원이 압전세라믹으로 이루어져 장치의 정밀한 구동이 가능하고, 압전세라믹을 통한 구동장치의 연속구동으로 보다 넓은 작업공간을 확보할 수 있는 것이다.

3 자유도, 미소, 변위, 팬, 틸트, 직선, 압전세라믹, 마그네트

Description

3 자유도 미소변위 구동장치{precision actuating device of 3 degree of freedom}

도 1은 본 발명에 따른 3 자유도 미소변위 구동장치를 나타낸 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 팬 운동부의 작동상태를 나타낸 상태도,

도 3은 본 발명에 따른 틸트 운동부의 작동상태를 나타낸 상태도,

도 4는 본 발명에 따른 직선 운동부의 작동상태를 나타낸 상태도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 3 자유도 미소변위 구동장치 2 : 제1 미소이동수단

3 : 제1 작동매체 4 : 팬 구동 회전판

5 : 팬 구동 베이스 6 : 팬 운동부

7 : 제2 미소이동수단 8 : 제2 작동매체

9 : 틸트 구동 회전판 10 : 틸트 구동 베이스

11 : 틸트 운동부 12 : 직선 구동 지그

13 : 제3 미소이동수단 14 : 제3 작동매체

15 : 직선 구동 샤프트 16 : 직선 운동부

17 : 고정부재

본 발명은 작은 전압으로 큰 미는 힘을 얻을 수 있도록 된 3 자유도 미소변위 구동장치에 관한 것으로, 특히 장치의 정밀한 구동을 위해 압전세라믹을 구동원으로 사용함으로서 3 자유도 미세변위구동을 할 수 있게 됨과 압전세라믹을 통한 연속구동으로 보다 넓은 작업공간을 확보할 수 있도록 된 3 자유도 미소변위 구동장치에 관한 것이다.

최근 정보기술(IT)이나 생명공학기술(BT) 또는 나노기술(NT) 등의 신산업은 미세화, 초정밀화하는 경향으로 흘러가고 있으며, 신산업 시장이 형성됨에 따라 이들 제품을 생산, 가공할 수 있는 초정밀 생산 시스템의 사용 여부가 경쟁력 확보의 핵심 요소가 되어 가고 있으며, 특히 게놈 프로젝트와 더불어 관심을 모으고 있는 BT 분야에서도 DNA의 크기가 3nm-4nm, 리보솜 100nm 이하, 가장 큰 일반세포도 10㎛ 정도로 미세하여 이들을 다루고 조작하려면 초정밀 기기가 필요하며, NT산업에서도 나노 크기의 구조물을 다루고 측정하기 위한 초정밀 기구의 필요성이 증대되고 있는 실정이다.

따라서, NT, BT, IT 등과 관련된 초정밀 기기에 필요한 마이크로 부품의 조립을 위해서는 초소형 로봇이 필요하며, 상기 초소형 로봇의 핵심 부품으로 머니퓰레이터와 같은 3 자유도 미소변위 구동장치가 있다.

상기 머니퓰레이터와 같은 3 자유도 미소변위 구동장치는 마이크로미터 단위 크기로 아주 미세한 물체를 집는 초소형 그리퍼 등의 위치를 정밀하게 제어할 수 있는 장치로서, 마이크로 부품을 핸들링 하기 위한 핵심부품으로 사용된다.

특히, 나노 스케일 정도로 미세하게 제어가 요구되는 3 자유도 미소변위 구동장치는 광 스위치(Optical switch), 평판소자(planar device) 뿐만 아니라, 최근에 관심이 고조되어 가고 있는 바이오 물질 및 나노 스케일의 물질을 핸들링 하기 위해서 필수적인 장치로 부각되고 있는 것이다.

그런데, 최근까지 개발된 머니퓰레이터와 같은 3 자유도 미소변위 구동장치는 정밀도가 수 마이크로미터(㎛)에 그치고 있어 전술한 바이오 분야 등에 효율적으로 이용하기 위해서는 나노미터 정도로 좀 더 정밀하게 개량된 구동장치가 필요한 실정이다.

또한, 종래의 3 자유도 미소변위 구동장치는 그 구동원으로 DC모터의 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 장치를 사용함으로써 백래시의 발생에 의한 구동장치의 정밀도 감소를 초래하는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바의 제반 사정을 감안하여 안출된 것으로, 장치의 정밀한 구동을 위해 압전세라믹을 구동원으로 사용함으로서 3 자유도 미세변위구동을 할 수 있게 됨과 더불어 압전세라믹을 통한 연속구동으로 보다 넓은 작업공간을 확보할 수 있도록 된 3 자유도 미소변위 구동장치를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외부로부터 인가되는 전압에 따라 그 선단부가 팽창 또는 수축됨으로써 전후진 작동을 하도록 된 원통형의 제1 미소이동수단과, 이 제1 미소이동수단의 선단부에 연결되어 제1 미소이동수단의 작동에 따라 이동되는 제1 작동매체와, 이 제1 작동매체의 하부에 회전가능한 상태로 설치되어 제1 작동매체의 움직임에 따라 회전되는 원판형의 팬 구동 회전판 및, 이 팬 구동 회전판의 하부에 베어링을 매개로 수평되게 고정설치된 팬 구동 베이스로 이루어진 팬 운동부;와, 이 팬 운동부의 일측에 설치되어 외부로부터 인가되는 전압에 따라 그 선단부가 팽창 또는 수축됨으로써 전후진 작동을 하도록 된 원통형의 제2 미소이동수단과, 이 제2 미소이동수단의 선단부에 연결되어 제2 미소이동수단의 작동에 따라 이동되는 제2 작동매체와, 이 제2 작동매체의 일측에 회전가능한 상태로 설치되어 제2 작동매체의 움직임에 따라 회전되는 원판형의 틸트 구동 회전판 및, 이 틸트 구동 회전판의 일측에 베어링을 매개로 수직되게 고정설치된 틸트 구동 베이스로 이루어진 틸트 운동부;와, 이 틸트 운동부의 일측에 설치되어 직선운동하는 각종 부품이 고정되는 직선 구동 지그와, 이 직선 구동 지그의 후방에 삽입되어 외부로부터 인가되는 전압에 따라 그 선단부가 팽창 또는 수축됨으로써 전후진 작동을 하도록 된 원통형의 제3 미소이동수단과, 이 제3 미소이동수단의 선단부에 연결되어 제3 미소이동수단의 작동에 따라 이동되는 제3 작동매체 및, 이 제3 작동매체에 연결되어 제3 작동매체의 움직임에 따라 전후진 작동하는 직선 구동 샤프트로 이루어진 직선 운동부;를 포함하여 구성된 것이다.

그리고, 상기 팬 운동부의 제1 미소이동수단과 상기 틸트 운동부의 제2 미소이동수단 및 상기 직선 운동부의 제3 미소이동수단이 압전세라믹으로 이루어진 것이다.

또한, 상기 팬 운동부의 제1 작동매체와 상기 틸트 운동부의 제2 작동매체 및 상기 직선 운동부의 제3 작동매체가 마그네트로 이루어진 것이다.

한편, 상기 팬 운동부의 팬 구동 베이스 일측에 수직된 상태로 고정부재가 설치되어 이 고정부재의 상부에 상기 제1 미소이동수단이 삽입설치되고, 상기 틸트 운동부의 틸트 구동 베이스 일측에 수평된 상태로 고정부재가 설치되어 이 고정부재의 일측 선단부에 상기 제2 미소이동수단이 삽입설치된 것이다.

여기서, 상기 팬 운동부의 제1 미소이동수단에 전압이 인가되어 이 제1 미소이동수단의 선단부에 연결된 제1 작동매체가 이동하면서 상기 팬 구동 회전판을 회전시키고, 상기 제1 미소이동수단에 전압이 급격히 감소하면 상기 팬 구동 회전판에 관성력이 작용할 수 있도록 된 것이다.

상기 틸트 운동부의 제2 미소이동수단에 전압이 인가되어 이 제2 미소이동수단의 선단부에 연결된 제2 작동매체가 이동하면서 상기 틸트 구동 회전판을 회전시키고, 상기 제2 미소이동수단에 전압이 급격히 감소하면 상기 틸트 구동 회전판의 관성에 관성력이 작용할 수 있도록 된 것이다.

상기 직선 운동부의 제3 미소이동수단에 전압이 인가되어 이 제3 미소이동수단의 선단부에 연결된 제3 작동매체가 천천히 이동하면서 상기 직선 구동 샤프트를 이동시키고, 상기 제3 미소이동수단에 전압이 급격히 감소하면 상기 직선 구동 샤프트에 관성력이 작용할 수 있도록 된 것이다.

즉, 상기의 구조로 이루어진 3 자유도 미소변위 구동장치는 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 팬 운동부와 틸트 운동부, 그리고 직선 운동을 하는 직선 운 동부로 구성되고, 상기 다수의 미소이동수단이 압전세라믹으로 이루어지며, 상기 다수의 작동매체가 마그네트로 이루어진 것에 그 특징이 있는 것이다.

따라서, 작은 전압만으로도 큰 미는 힘을 얻을 수 있는 다수의 미소이동수단을 팬 구동원과 틸트 구동원 및 직선 구동원으로 각기 사용함과 아울러 일련의 구동장치들이 상호간에 연동되게 연결설치됨으로써 백래시를 감소시키고, 이에 따라 나노미터 정도로 정밀하게 3 자유도 구동을 수행할 수 있으며, 상기 구동원이 압전세라믹으로 이루어져 장치의 정밀한 구동이 가능하고, 압전세라믹을 통한 장치의 연속구동으로 보다 넓은 작업공간을 확보할 수 있는 것이다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 3 자유도 미소변위 구동장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 팬 운동부의 작동상태를 도시한 상태도이며, 도 3은 본 발명에 따른 틸트 운동부의 작동상태를 도시한 상태도이고, 도 4는 본 발명에 따른 직선 운동부의 작동상태를 도시한 상태도이다.

본 발명에 따른 3 자유도 미소변위 구동장치(1)는 외부 전압에 따라 그 선단부가 전후진 작동하는 제1 미소이동수단(2)과, 이 제1 미소이동수단(2)의 작동에 따라 이동되는 제1 작동매체(3)와, 이 제1 작동매체(3)의 하부에 회전가능한 상태로 설치된 팬 구동 회전판(4) 및, 이 팬 구동 회전판(4)의 하부에 베어링을 매개로 수평되게 고정설치된 팬 구동 베이스(5)로 이루어진 팬 운동부(6);와, 이 팬 운동부(6)의 일측에 설치되어 외부 전압에 따라 그 선단부가 전후진 작동을 하는 제2 미소이동수단(7)과, 이 제2 미소이동수단(7)의 작동에 따라 이동되는 제2 작동매체(8)와, 이 제2 작동매체(8)의 일측에 회전가능한 상태로 설치된 틸트 구동 회전판(9) 및, 이 틸트 구동 회전판(9)의 일측에 베어링을 매개로 수직되게 고정설치된 틸트 구동 베이스(10)로 이루어진 틸트 운동부(11);와, 이 틸트 운동부(11)의 일측에 설치되어 직선운동하는 각종 부품이 고정되는 직선 구동 지그(12)와, 이 직선 구동 지그(12)의 후방에 삽입되어 외부 전압에 따라 그 선단부가 전후진 작동을 하도록 된 제3 미소이동수단(13)과, 이 제3 미소이동수단(13)의 작동에 따라 이동되는 제3 작동매체(14) 및, 이 제3 작동매체(14)에 연결되어 제3 작동매체(14)의 움직임에 따라 전후진 작동하는 직선 구동 샤프트(15)로 이루어진 직선 운동부(16);를 포함하여 구성된 것이다.

여기서, 상기의 구조로 이루어진 3 자유도 미소변위 구동장치(1)의 특징은 상기 팬 운동부(6)의 제1 미소이동수단(2)과 상기 틸트 운동부(11)의 제2 미소이동수단(7) 및 상기 직선 운동부(16)의 제3 미소이동수단(13)이 압전세라믹으로 이루어진 것과, 상기 팬 운동부(6)의 제1 작동매체(3)와 상기 틸트 운동부(11)의 제2 작동매체(8) 및 상기 직선 운동부(16)의 제3 작동매체(14)가 마그네트로 이루어진 것에 있는 것이다.

즉, 상기 3 자유도 미소변위 구동장치(1)의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 수평방향에서 직선운동을 회전운동으로 변환하는 상기 팬 운동부(6)는 그 선단부가 전후진 작동하는 제1 미소이동수단(2)과 이 제1 미소이동수단(2)의 선단부에 연결되어 전후진 작동하는 제1 작동매체(3)와 이 제1 작동매체(3)의 전후진으로 회 전되는 팬 구동 회전판(4) 및 이 팬 구동 회전판(4)을 하부에서 지지하는 팬 구동 베이스(5)로 이루어지고, 상기 팬 운동부(6)에 수직된 방향으로 설치되어 수직방향에서 직선운동을 회전운동으로 변환하는 상기 틸트 운동부(11)는 그 선단부가 전후진 작동하는 제2 미소이동수단(7)과 이 제2 미소이동수단(7)의 선단부에 연결되어 전후진 작동하는 제2 작동매체(8)와 이 제2 작동매체(8)의 전후진으로 회전되는 틸트 구동 회전판(9) 및 이 틸트 구동 회전판(9)을 하부에서 지지하는 틸트 구동 베이스(10)로 이루어지는 것이다.

또한, 상기 팬 운동부(6)의 팬 구동 베이스(5) 일측에 수직된 상태로 고정부재(17)가 설치되어 이 고정부재(17)의 상부에 상기 제1 미소이동수단(2)이 삽입설치되고, 상기 틸트 운동부(11)의 틸트 구동 베이스(10) 일측에 수평된 상태로 고정부재(17)가 설치되어 이 고정부재(17)의 일측 선단부에 상기 제2 미소이동수단(7)이 삽입설치된 것이다.

그리고, 상기 틸트 운동부(11)의 일측에 연결설치되어 수평방향으로 직선운동을 하는 직선 운동부(16)는 상기 제3 미소이동수단(13)과 제3 작동매체(14)와 직선 구동 샤프트(15) 등이 고정되는 직선 구동 지그(12)와, 이 직선 구동 지그(12)의 후방에 삽입되어 그 선단부가 전후진 작동하는 제3 미소이동수단(13)과 이 제3 미소이동수단(13)의 선단부에 연결되어 전후진 작동하는 제3 작동매체(14) 및 이 제3 작동매체(14)에 연결되어 제3 작동매체(14)의 움직임에 따라 전후진 작동하는 직선 구동 샤프트(15)로 이루어지는 것이다.

그러므로, 본 발명에 따른 3 자유도 미소변위 구동장치(1)는 압전세라믹으로 이루어진 3개의 미소이동수단을 사용해 회전구동, 틸팅구동, 직선구동의 3 자유도 구동을 수행하고, 상기 3개의 미소이동수단에는 각각 마그네트로 이루어진 3개의 작동매체가 연결되는 것이다.

한편, 상기 팬 운동부(6)의 작동상태는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 팬 구동 베이스(5)와 팬 구동 회전판(4)이 베어링을 매개로 서로 결합된 상태에서 상기 제1 미소이동수단(2)에 전압이 천천히 인가되면, 제1 미소이동수단(2)의 선단부에 연결된 제1 작동매체(3)가 천천히 이동하면서 상기 팬 구동 회전판(4)을 회전시키고, 상기 제1 미소이동수단(2)에 전압이 급격히 감소하면 상기 팬 구동 회전판(4)의 관성 때문에 팬 구동 회전판(4)은 그 자리에 있으며, 상기 팬 구동 회전판(4)에 고정된 제1 작동매체(3)는 원래의 자리로 돌아오게 되어, 이러한 원리로 회전운동을 발생시키는 것이다.

또한, 상기 틸트 운동부(11)의 작동상태는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 틸트 구동 베이스(10)와 틸트 구동 회전판(9)이 베어링을 매개로 서로 결합된 상태에서 상기 제2 미소이동수단(7)에 전압이 천천히 인가되면, 제2 미소이동수단(7)의 선단부에 연결된 제2 작동매체(8)가 천천히 이동하면서 상기 틸트 구동 회전판(9)을 회전시키고, 상기 제2 미소이동수단(7)에 전압이 급격히 감소하면 상기 틸트 구동 회전판(9)의 관성 때문에 틸트 구동 회전판(9)은 그 자리에 있으며, 상기 틸트 구동 회전판(9)에 고정된 제2 작동매체(8)는 원래의 자리로 돌아오게 되어, 이러한 원리로 틸팅운동을 발생시키는 것이다.

그리고, 상기 직선 운동부(16)의 작동상태는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제3 미소이동수단(13)이 직선 구동 지그(12)에 고정된 상태에서 상기 제3 미소이동수단(13)에 전압이 천천히 인가되면, 제3 미소이동수단(13)의 선단부에 연결된 제3 작동매체(14)가 천천히 이동하면서 상기 직선 구동 샤프트(15)를 이동시키고, 상기 제3 미소이동수단(13)에 전압이 급격히 감소하면 상기 직선 구동 샤프트(15)의 관성 때문에 직선 구동 샤프트(15)는 그 자리에 있으며, 상기 직선 구동 샤프트(15)에 고정된 제3 작동매체(14)는 원래의 자리로 돌아오게 되어, 이러한 원리로 직선운동을 발생시키는 것이다.

따라서, 상기와 같은 팬 운동부, 틸트 운동부, 직선 운동부를 이용하여 3 자유도의 미소변위를 구동하게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명에 따른 3 자유도 미소변위 구동장치에 의하면, 작은 전압만으로도 큰 미는 힘을 얻을 수 있는 다수의 미소이동수단을 팬 구동원과 틸트 구동원 및 직선 구동원으로 각기 사용함과 아울러 일련의 구동장치들이 상호간에 연동되게 연결설치됨으로써 백래시를 감소시키고, 이에 따라 나노미터 정도로 정밀하게 3 자유도 구동을 수행할 수 있으며, 상기 구동원이 압전세라믹으로 이루어져 장치의 정밀한 구동이 가능하고, 압전세라믹을 통한 장치의 연속구동으로 보다 넓은 작업공간을 확보할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (5)

1. 외부로부터 인가되는 전압에 따라 전후진 작동하는 제1 미소이동수단과, 이 제1 미소이동수단의 작동에 따라 이동되는 제1 작동매체와, 이 제1 작동매체의 움직임에 따라 회전됨과 동시에 관성력이 작용하는 팬 구동 회전판 및, 이 팬 구동 회전판의 하부에 베어링을 매개로 수평되게 고정설치된 팬 구동 베이스로 이루어져 회전운동하는 팬 운동부;와

   상기 팬 운동부의 일측에 설치되어 외부로부터 인가되는 전압에 따라 전후진 작동하는 제2 미소이동수단과, 이 제2 미소이동수단의 작동에 따라 이동되는 제2 작동매체와, 이 제2 작동매체의 움직임에 따라 회전됨과 동시에 관성력이 작용하는 틸트 구동 회전판 및, 이 틸트 구동 회전판의 일측에 베어링을 매개로 수직되게 고정설치된 틸트 구동 베이스로 이루어져 틸팅운동하는 틸트 운동부;와

   상기 틸트 운동부의 일측에 설치된 직선 구동 지그와, 이 직선 구동 지그의 후방에 삽입되어 외부로부터 인가되는 전압에 따라 전후진 작동하는 제3 미소이동수단과, 이 제3 미소이동수단의 작동에 따라 이동되는 제3 작동매체 및, 이 제3 작동매체의 움직임에 따라 전후진 작동함과 동시에 관성력이 작용하는 직선 구동 샤프트로 이루어져 직선운동하는 직선 운동부;를 포함하여 구성된 3 자유도 미소변위 구동장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 팬 운동부의 제1 미소이동수단과 상기 틸트 운동부 의 제2 미소이동수단 및 상기 직선 운동부의 제3 미소이동수단이 압전세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 3 자유도 미소변위 구동장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 팬 운동부의 제1 작동매체와 상기 틸트 운동부의 제2 작동매체 및 상기 직선 운동부의 제3 작동매체가 마그네트로 이루어진 것을 특징으로 하는 3 자유도 미소변위 구동장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 팬 운동부의 팬 구동 베이스 일측에 수직된 상태로 고정부재가 설치되어 이 고정부재의 상부에 상기 제1 미소이동수단이 삽입설치된 것을 특징으로 하는 3 자유도 미소변위 구동장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 틸트 운동부의 틸트 구동 베이스 일측에 수평된 상태로 고정부재가 설치되어 이 고정부재의 일측 선단부에 상기 제2 미소이동수단이 삽입설치된 것을 특징으로 하는 3 자유도 미소변위 구동장치.

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