KR101094820B1 - 대변위 정밀 병진운동 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정밀 병진운동 메커니즘에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상위 운동부에 설치된 영구자석의 자기장과 하위 운동부에 설치된 코일의 전류 사이에 발생하는 로렌츠 힘과, 상위 운동부와 하위 운동부 사이에 연결된 스프링의 스프링력에 기초한 상대운동 원리를 이용하여 단일 시스템으로 정밀 병진운동뿐만 아니라 대변위 병진운동을 발생시킬 수 있는 대변위 정밀 병진운동 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

Description

대변위 정밀 병진운동 장치 및 그 제어 방법{Long-Range Precise Linear Motion Device and Method for controlling the same}

본 발명은 정밀 병진운동 메커니즘에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상위 운동부에 설치된 영구자석의 자기장과 하위 운동부에 설치된 코일의 전류 사이에 발생하는 로렌츠 힘과, 상위 운동부와 하위 운동부에 연결되어 있는 스프링의 스프링력에 기초한 상대운동 원리를 이용하여 단일 시스템으로 정밀 병진운동뿐만 아니라 대변위 병진운동을 발생시킬 수 있는 대변위 정밀 병진운동 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 정밀 병진운동 메커니즘은 나노과학, 나노기술과 정밀산업의 발전에 힘입어 최첨단의 운동 및 측정 장비에서부터 진보된 과학 도구에 이르기까지 그 응용분야를 끊임없이 넓혀가면서 진화하고 있다. 이와 같은 정밀 병진운동 장치의 응용 분야는 웨이퍼 및 레티클 스테이지(reticle stage), LCD 및 PDP 디스플레이 이송장치, 광학/전자/탐침형 현미경 스캐너, 레이저(laser)/래피드 프로토타이핑(rapid prototyping)용 스캐너(scanner), 정밀 로봇 매니퓰레이터 등이 있다. 그리고 현재 위와 같은 정밀 병진운동 장치는 대부분 압전 구동기, 정전기 구동기, 혹은 전자기 구동기에 의해 구동되고 있다.

여기서, 정전기 구동기와 압전 구동기는 응답속도가 빠르다는 이점이 있는 반면 각각 좁은 공극 내의 정전기장과 구동기 재료 자체의 기계적인 변형(strain)을 이용한 힘 발생원리의 한계로 인하여 작동범위가 수십 마이크로미터 이하로 매우 좁다. 이러한 이유 때문에 넓은 변위를 발생시키기 위해서 이들 구동기를 인치웜, 스틱-슬립, 보행 구동원리를 취하여 계단식 순차적인 운동(stepwise motion)을 발생시킬 수 있지만, 연속적인 운동(continuous motion)의 범위는 여전히 수십 마이크로미터 이하로 매우 좁다.

위와 달리, 전자기 구동기는 주로 로렌츠 힘 발생원리에 기초하여 넓은 작동범위를 가질 수 있다는 이점이 있다. 이러한 이점으로 인하여, 상기 기술된 응용분야에서 수백 마이크로미터 이상의 길고도 정밀한 병진운동을 필요로 할 경우 로렌츠 힘 발생원리에 기초한 구동기, 즉 로렌츠 힘 구동기를 주로 이용해 오고 있다.

일반적인 로렌츠 힘 구동기는 영구자석과 코일 사이의 상호 작용에 의해 발생되는 로렌츠 힘 원리에 기초하고 있다. 이러한 로렌츠 힘 구동기는 능동요소인 코일과 수동요소인 영구자석 한 쌍으로 구성되어 기계적으로 분리되어 배치되며, 비접촉의 정밀한 힘인 로렌츠 힘을 발생시킨다. 이러한 로렌츠 힘 구동기는 스프링 혹은 자기 지지/안내 방식과 결합되어 정밀한 병진운동을 만들어 낼 수 있기 때문에, 마찰이 발생하지 않아 운동 정밀도를 그대로 유지할 수 있는 이점을 갖는다.

이와 같은 로렌츠 힘 구동기는 다음과 같은 두 가지의 동작방식으로 작동한다.

첫 번째 방식은 영구자석은 고정되어 있고 코일에 운동이 발생하는 형태로서, 그 운동은 움직이는 한 개의 코일의 경우 그것에 상호작용하는 고정된 영구자석으로부터 발생하는 자기장 분포에 의해 동작이 결정된다. 이러한 동작방식을 갖는 모터를 종종 보이스 코일 모터(voice coil motor)라고 부른다. 그 예로는 "Ralph L. Hollis의 미국등록특허 제4,874,998호(1989)(Magnetically Levitated Fine Motion Robot Wrist with Programmable Compliance)"와 "이성규, 박강호, 김은경의 대한민국특허 제 10-0634213호(2006)(구동 헤드 및 이를 구비하는 개인용 원자현미경)"이 있다.

두 번째 방식은 코일은 고정되어 있고 영구자석에 운동이 발생하는 형태로서, 그 운동은 움직이는 한 개의 영구자석의 경우 그것에 상호작용하는 고정된 코일의 전류 분포에 의해 동작이 결정된다. 그 예로는 "김승종, 황요하, 이종민의 대한민국특허 제10-0460130호(2004)(로렌쯔 힘을 이용한 수동/능동 겸용 자기 베어링)"와, "Won-jong Kim의 미국특허 제6,885,536호(2005)(Method and Apparatus for Magnetically Generating Motion with High Precision)"와, 그리고 "W. Gao, S. Kiyono, Y. Tomita, M. Tano의 미국특허 제7,257,902호(2007)(Stage Device)" 등이 있다. 하지만 이러한 동작원리를 갖는 구동 메커니즘은 작동범위를 넓히기 위해서 영구자석 혹은 코일 중 하나의 크기를 크게 하거나 그 수를 증가시켜야만 가능하기 때문에 그에 상응하게 구동 메커니즘의 사이즈가 커지게 되는 문제가 있었다.

이 때문에, 최근에는 자기력을 이용한 충격형(impact)과 스틱-슬립형(stick-slip) 구동 메커니즘을 통하여 시스템의 이동부 사이즈를 소형화하는 연구가 진행 중에 있다. 그 예로는 "K. Vollmers, D. R. Frutiger, B. E. Kratochvil, and B. J. Nelson, (APL 92, 144103, 2008) [Wireless resonant magnetic microactuator for untethered mobile microrobots]"와 "C. Pawashe, S. Floyd, and M. Sitti, (APL 94, 164108, 2009) [Multiple magnetic microrobot control using electrostatic anchoring]"가 있다. 하지만 이러한 구동 메커니즘은 운동 발생 시 마찰에 의한 슬립(slip)이 발생하기 때문에 시간이 지남에 따라 표면의 긁힘 등이 발생하여 그 운동정밀도를 떨어뜨릴 수 있다는 문제가 발생할 수 있다. 또한 앞서 언급된 것처럼, 구동기의 사이즈에 따라 그 운동범위가 결정되기 때문에, 작동범위를 넓히기 위해서는 구동기의 크기를 크게 하거나 그 수를 증가시킬 수밖에 없는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 영구자석의 자기장과 공심 솔레노이드의 코일에 흐르는 전류와의 상호 작용을 통해 로렌츠 힘(Lorentz force)을 발생시켜 스프링으로 연결되어 있는 두 개의 강체(rigid body)가 서로 상대 운동하도록 함으로써, 구동 메커니즘을 간단하고 소형이면서 콤팩트한 구조로 구현할 수 있도록 하는 대변위 정밀 병진운동 장치 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 두 개의 강체에 수직력과 수평력을 발생함에 있어, 구동부에 인가되는 전류를 제어하여 시간에 따라 변하는 수직력과 수평력을 발생시켜 상기 강체들이 서로 상대 운동할 수 있도록 해 줌으로써, 큰 변위를 보행할 수 있도록 하는 대변위 정밀 병진운동 장치 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 구동부에 의해 힘을 발생시킴에 있어, 스프링에 저장되는 에너지를 구동부에 의해 발생되는 수직력과 수평력과 조합하여 시스템의 개루프 안정성을 유지하면서도 상기 강체들에 운동을 발생시킴으로써, 직선운동 방향으로 정밀하게 위치 결정하거나 병진 운동할 수 있도록 하는 대변위 정밀 병진운동 장치 및 그 제어방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치는, 상판과, 서로 동일한 자화방향을 가지며 상기 상판의 하부면에 일정 간격을 두고서 부착되는 복수의 영구자석과, 상기 상판의 양 끝단 하부면에 고정되는 한 쌍의 버팀대로 구성된 상위 운동부; 상기 상판과 일정거리 이격된 하부 측에 배치되는 하판과, 상기 복수의 영구자석과 대응하여 상기 하판의 상부면에 부착되며 서로 다른 방향의 공심축을 갖는 복수의 코일과, 상기 각 버팀대가 관통되는 한 쌍의 구멍을 갖는 하위 운동부; 상기 상위 운동부와 하위 운동부 사이에 연결되며 상기 상위 운동부를 탄성적으로 지지하거나 안내해 주는 한 쌍의 스프링; 상기 하위 운동부의 운동을 안내하고 지지해 주는 베이스; 상기 상위 운동부 혹은 하위 운동부의 운동을 제어하기 위한 다수의 코일을 구동할 수 있는 다수의 파워앰프와, 그 운동을 감지할 수 있는 다수의 센서와, 아날로그-디지털 변환기, 디지털-아날로그 변환기, 제어 알고리즘과 컴퓨터를 통하여 상기 상위 운동부와 하위 운동부의 운동을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 영구자석과 코일은 각각 적어도 2개 이상이 구비될 수 있다.

바람직하게는, 상기 상위 운동부에 구비되는 복수의 영구자석은 Z축 방향의 자화방향을 갖는 3개의 제1,2,3영구자석으로 구성하고, 상기 하위 운동부에 구비되는 복수의 코일은 상기 제1,2,3영구자석과 각각 대응하는 3개의 제1,2,3코일로 구성하되, 상기 하위 운동부의 양측에 위치된 상기 제1 및 제3코일은 Z축 방향의 공심축을 갖고, 중앙에 위치된 상기 제2코일은 X축 방향의 공심축을 갖도록 형성할 수 있다.

그리고, 상기 센서는, 상기 상위 운동부와 상기 하위 운동부의 상대운동인 Z축 및 Pitch 운동을 감지하는 복수의 Z축 방향 운동 감지센서와; 상기 상위 운동부의 X축 방향 운동을 감지하는 X축 방향 운동 감지센서를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 X축 방향 운동 감지센서는 베이스 외측의 그라운드(ground)상에 고정된 지지대상에 설치될 수 있다.

또한, 상기 영구자석과 코일은 상기 상판 및 하판에 각각 일정간격을 이루며 일렬로 설치될 수 있다.

이와 달리, 상기 영구자석과 코일은 상기 상판 및 하판에 각각 바둑판 무늬 모양으로 설치될 수도 있다.

그리고, 상기 베이스의 상면에는 상기 하위 운동부의 하판을 안내하기 위한 안내홈이 형성될 수 있다.

이때, 상기 안내홈과 하판이 접촉되는 일측면은 경사지게 가공될 수 있다.

또한, 상기 스프링은 판 형상을 갖는 판 스프링으로 적용할 수 있다.

한편, 본 발명에서 상기 상,하위 운동부는 상기 코일에 인가되는 전류의 인가시간에 따라 X축 방향(수평 방향) 또는 Z축 방향(수직 방향)으로의 운동이 선택적으로 이루어진다.

여기서, 상기 상,하위 운동부는 상기 영구자석과 코일 간의 상호작용에 의해 발생하는 전자기력과 상기 상, 하위 운동부 사이에 연결된 스프링에 의해 발생하는 스프링력 간의 합력 혹은 힘의 조합에 의하여 X축 및 Z축 방향의 병진운동과 Pitch 방향 회전운동이 가능하도록 제어될 수 있다.

그리고, 상기 제어부는 상기 스프링의 스프링력에 의한 개루프(open-loop) 제어를 통해 X축, Z축, Pitch 방향 운동에 대한 변위를 발생시켜 정밀 병진운동을 수행하도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부에 의한 피드백(feed-back) 제어는, 정밀 병진운동을 위하여 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동에 대한 변위 정보를 입력한 후, 상기 센서들로부터의 측정된 값을 피드백 받아 컴퓨터에 저장하고, 에러에 기초한 제어알고리즘을 이용하여 X축, Z축, Pitch 방향 모드 힘을 얻어내고, 이로부터 복수의 코일과 영구자석으로 구성된 상,하위 운동부에 줄 힘을 산정해 내고, 이를 힘-전류 관계를 통하여 변환하여 나온 신호를 파워 앰프에 전달하는 일련의 과정을 반복하여 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동에 대한 변위를 발생시키도록 제어할 수 있다.

반면, 상기 제어부는 상기 스프링의 스프링력에 의한 개루프(open-loop) 제어를 통해 X축, Z축, Pitch 방향 운동을 조합한 궤적운동을 발생시켜 대변위 병진운동을 수행하도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부에 의한 피드백(feed-back) 제어는, 대변위 병진운동을 위하여 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동을 조합한 궤적운동 정보를 입력한 후, 상기 센서들로부터의 측정된 값을 피드백 받아 컴퓨터에 저장하고, 에러에 기초한 제어알고리즘을 이용하여 X축, Z축, Pitch 방향 모드 힘을 얻어내고, 이로부터 상기 복수의 코일과 영구자석으로 구성된 상,하위 운동부에 줄 힘을 산정해 내고, 이를 힘-전류 관계를 통하여 변환하여 나온 신호를 파워 앰프에 전달하는 일련의 과정을 반복하여 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동을 조합한 궤적 운동을 발생시키도록 제어할 수 있다.

이때, 상기 제어부는 다수의 스위칭 알고리즘 혹은 스위치를 이용하여 개루프 및 피드백 정밀 병진운동과 개루프 및 피드백 대변위 병진운동을 필요에 따라 한 번만, 또는 연속적으로, 또는 순차적으로 또는 동시에 발생시키도록 제어할 수 있다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치의 제어방법은, 상위 운동부에 구비된 복수의 영구자석과 하위 운동부에 구비된 복수의 코일 사이에 발생하는 로렌츠 힘과 상기 상위 운동부와 하위 운동부 사이에 연결된 스프링의 스프링력을 이용한 개루프(open-loop) 제어를 통해 상기 상위 운동부 및 하위 운동부에 발생하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동 정보를 조합하여 정밀 병진운동 및 대변위 병진운동을 발생시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치의 또 다른 형태의 제어방법은, 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동에 대한 정보를 입력한 후, 센서들로부터의 측정된 값을 피드백 받아 컴퓨터에 저장하고, 에러에 기초한 제어알고리즘을 이용하여 X축, Z축, Pitch 방향 모드 힘을 얻어내고, 이로부터 복수의 코일과 영구자석으로 구성된 상,하위 운동부에 줄 힘을 산정해 내고, 이를 힘-전류 관계를 통하여 변환하여 나온 신호를 파워 앰프에 전달하는 일련의 과정을 반복하여 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동을 조합하여 정밀 병진운동 및 대변위 병진운동을 발생시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치에 의하면, 상위 운동부에 설치된 영구자석의 자기장과 하위 운동부에 설치된 코일의 전류 사이에서 발생하는 로렌츠 힘과, 상위 운동부와 하위 운동부 사이에 연결된 스프링의 스프링력에 기인한 상대운동 원리를 이용하여 단일 시스템으로 정밀 병진운동뿐 아니라 대변위 병진운동을 발생시킬 수 있기 때문에, 기존의 1 자유도 병진운동 장치 개발시 나타나는 작동범위 확대에 따른 시스템 크기 증가의 문제를 해결할 수 있다. 따라서, 저자유도 병진운동 메커니즘의 작동범위를 확장하더라도 설계 변경을 요하지 하지 않고, 장치의 크기를 그대로 유지할 수 있기 때문에, 시스템을 소형화하더라도 긴 병진운동을 발생시킬 수 있어서 좁은 작업환경을 요하는 곳에서의 작업에 적합한 장점을 갖는다. 아울러, 마찰에 의한 긁힘이 거의 없어 미세 먼지 등이 거의 발생하지 않으므로 청정한 작업환경을 요하는 곳에서의 작업에 효과적으로 적용할 수 있고, 이와 함께, 부드럽고 연속적이면서도 서브-마이크로미터(sub-micrometer)의 높은 위치 분해능을 갖는 위치 결정이 가능하고 긴 병진운동이 가능한 장점이 있다.

위와 같은 다양한 효과를 갖는 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치를 적용하여, 미소 물체를 분석하기 위한 scanning probe microscope와 같은 현미경과 미소 물체들을 조작하기 위한 정밀 매니퓰레이터(manipulator)와 같은 초정밀 위치결정을 위한 고분해능 위치결정 또는 운동제어 장치 등과 같은 병진 운동을 요구하는 분야에 응용 목적에 따라 다양하게 적용할 수 있으며, 향후, 좁은 작업환경을 요구하는 마이크로/나노팩토리(microfactory/nanofactory)를 위한 이송, 위치결정 혹은 조립 기능을 수행하는 병진운동용 구동기로도 적용이 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 대변위 정밀 병진운동 장치를 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 대변위 정밀 병진운동 장치의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치와 그 운동을 감지하는 감지장치를 결합한 사시도.
도 4는 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치에 있어서 로렌츠 힘 구동기의 힘 발생 원리를 설명하기 위한 개념도.
도 5는 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치에 있어서 순수한 정밀 병진운동의 동작원리를 설명하기 위한 개념도.
도 6은 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치에 있어서 정밀 병진운동에 결합한 Z축 및 Pitch 운동을 설명하기 위한 개념도.
도 7은 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치에 있어서 대변위 병진운동의 동작원리를 설명하기 위한 개념도.
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 대변위 정밀 병진운동 장치의 대변위 정밀 병진운동 제어 방법을 설명하기 위한 도면.

이하, 본 발명의 일실시 예에 의한 대변위 정밀 병진운동 장치 및 그 제어 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 대변위 정밀 병진운동 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다. 그리고, 도 3은 본 발명에 따른 대변위 정밀 병진운동 장치 및 그 운동을 감지하기 위한 감지센서를 보여주는 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 대변위 정밀 병진운동 장치는 크게 위치결정 기능을 갖는 상위 운동부(1)와, 상기 상위 운동부(1)와 상대운동을 하는 하위 운동부(2)와, 상기 상위 운동부(1)와 상기 하위 운동부(2)를 탄성적으로 연결해주는 스프링(3)과, 상기 상,하위 운동부(1)(2)를 지지하여 이들의 운동을 안내하는 베이스(4)와, 상기 상,하위 운동부(1)(2)의 운동을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.

상기 상위 운동부(1)는 직사각형 판 형상을 갖는 상판(1A)과, 상기 상판(1A)의 하부면에 X축 방향을 따라 상호 일정 간격을 두고서 일렬로 부착되는 3개의 영구자석(11)(12)(13)과, 상기 상판(1A)의 양단 하부면에 수직으로 결합되는 한 쌍의 버팀대(1B)(1C)를 포함하여 구성된다.

상기 3개의 영구자석(11)(12)(13)은 도시된 기준좌표계를 중심으로 Z축 방향으로 서로 동일한 자화방향을 갖도록 형성되며, 상기 한 쌍의 버팀대(1B)(1C)는 상기 영구자석(11)(12)(13)의 좌,우측 외곽에 배치된 구조를 갖는다.

상기 하위 운동부(2)는 상기 상위 운동부(1)의 상판(1A)으로부터 Z축 방향으로 일정거리 이격된 하부 측에 배치되는 직사각형 판 형상을 갖는 하판(2C)과, 상기 3개의 영구자석(11)(12)(13)과 대응하도록 상기 하판(2C)의 상부면에 X축 방향을 따라 일정간격을 두고서 일렬로 부착되는 3개의 코일(21)(22)(23)과, 상기 하판(2C)의 양 끝단에 형성되어 상위 운동부(1)의 좌,우측 버팀대(1B)(1C)가 각각 관통되는 한 쌍의 구멍(2A)(2B)을 포함하여 구성된다.

상기 하판(2C)에 배열된 3개의 코일(21)(22)(23)은 서로 다른 방향의 공심축을 갖는데, 상기 상위 운동부(1)의 좌우 외곽에 위치한 제1 및 제3영구자석(11)(13)에 대응하는 2개의 제1 및 제3코일(21)(23)은 Z축 방향의 공심축을 가지고, 상기 상위 운동부(1)의 중앙에 위치한 제2영구자석(12)에 대응하는 1개의 제2코일(22)은 X축 방향의 공심축을 갖는다.

이때, 상기 상위 운동부의 상판(1A)과 하위 운동부(2)의 하판(2C)에 각각 부착되는 복수의 영구자석과 코일의 배열 형태를 전술된 직선 형태가 아닌 바둑판 무늬(또는 매트릭스 형태) 모양으로 배열 설치함으로써, Z축 방향으로 작용되는 수직력을 크게 높일 수 있다.

상기 상위 운동부(1)와 하위 운동부(2) 사이를 연결하는 스프링(3A)(3B)은 'C'자 형상을 갖는 판 스프링으로서, 그 상단 및 하단이 각각 상판(1A)과 하판(2C)에 고정되어 상위 운동부(1)와 하위 운동부 사이를 탄성적으로 지지해주는 한편 이들 운동을 안내해 주는 기능을 담당한다.

이와 같은 스프링(3A)(3B)은 상위 운동부(1)와 하위 운동부(2)의 수직 또는 수평 방향의 상대운동시 그에 상응하는 스프링력을 발생시키며 반응한다.

상기 베이스(4)는 그의 상면 중앙에 길이방향을 따라 일정 폭과 깊이로 파인 안내홈(4C)이 형성된다. 그리고, 상기 하위 운동부(2)의 하판(2C)은 상기 베이스(4)의 안내홈(4C)에 부분적으로 삽입된 상태로 직선운동을 수행하게 된다.

이때, 상기 베이스(4)의 안내홈(4C)과 하위 운동부(2)의 하판(2C)이 접촉되는 양쪽 측면부에는 일정 기울기로 경사지게 가공된 경사면(4A)(4B)이 형성되어, 상기 하판(2C)이 상기 안내홈(4C)과 역사다리꼴 단면 형태로 맞물린 상태로 안정적으로 가이드되도록 되어 있다.

이때, 상기 하판(2C)과 맞물린 상기 베이스(4)의 안내홈(4C) 형상은 상기 역사다리골 형상 외에 V자형이나 웨지(wedge) 형태를 적용하여 구성할 수도 있다.

한편, 본 발명에는 상기 상위 운동부(1)의 X축 방향 운동을 감지할 수 있는 X축 방향 센서(5)와, 상기 상위 운동부(1)와 하위 운동부(2)의 상대운동인 Z축 방향 운동 및 Pitch 운동을 감지할 수 있는 복수의 Z축 방향 센서(6A)(6B)가 설치된다.

상기 X축 방향 센서(5)는 레이저 변위 센서 등과 같은 비접촉 센서로서, 상기 베이스(4)로부터 X축 방향으로 일정 거리 떨어진 위치에 설치되는데, 이러한 X축 방향 센서(5)는 그라운드(ground) 위에 고정된 지지대(S) 상부에 장착되어 상위 운동부(1)의 X축 방향 변위를 감지한다.

그리고, Z축 방향 센서(6A)(6B)는 상위 운동부(1)의 Z축 방향 변위를 측정하기 위한 정전용량(capacitive) 센서 혹은 홀(Hall) 센서 등과 같은 비접촉 센서로서, 하위 운동부(2)의 중심으로부터 X축의 음의 방향과 양의 방향으로 일정한 거리 떨어진 좌측과 우측에 각각 설치되어 Z축 방향 운동 및 Y축에 대한 회전인 Pitch 방향 운동을 감지한다.

<본 발명의 동작 설명>

상술한 구성을 갖는 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치의 동작원리를 첨부된 도 4와 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치를 작동시키기 위하여 하위 운동부(2)에 장착되어 있는 3개의 코일(21)(22)(23)에 입력 전원을 인가한다.

앞서 언급한 바와 같이, 상위 운동부(1)에 구비된 3개의 영구자석들(11)(12)(13)의 자기장은 Z축 방향으로 동일한 방향을 갖는다. 여기서 코일(21)(22)(23)에 반시계 방향의 전류가 인가될 경우 상기 코일(21)(22)(23)의 좌측부분은 지면 밖으로 전류가 나오는 모양이 되고, 상기 코일(21)(22)(23)의 우측부분은 지면 안으로 전류가 들어가는 모양으로 된다. 물론 시계 방향의 전류가 인가될 경우는 상기와 반대의 모양이 된다.

이를 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 제1영구자석(11)의 Z축 방향 자기장은 Z축 방향에 평행한 공심축을 갖는 제1코일(21)의 전류와 상호 작용하여 Z축 방향의 전자기력(VF11)(VF21)을 발생시킨다. 이를 상세히 설명하기 위하여 도 4에 Case 1과 Case 2로 나누어 도시하였다.

Case 1은 제1영구자석(11)이 Z축 방향으로 이동가능하고, 제1코일(21)은 베이스(4)에 고정되어 있는 경우이다. 로렌츠 힘의 법칙(Lorentz force law)에 근거하여, 제1코일(21)에 반시계 방향의 전류를 인가하면, 제1영구자석(11)은 음의 Z축 방향으로 끌어내려지는 수직력(VF11)을 받아서 아래로 움직이고, 제1코일(21)은 양의 Z축 방향으로 끌어올려지는 수직력(VF21)을 받지만 고정되어 있기 때문에 움직임이 발생하지 않는다. 반면, 시계 방향의 전류가 상기 코일(21)에 인가될 경우에는, 제1영구자석(11)과 제1코일(21)은 서로 밀어내는 힘을 발생시키기 때문에 제1영구자석(11)은 양의 Z축 방향으로 밀려 올라가게 되지만, 제1코일(21)은 음의 Z축 방향으로 끌어내려지는 수직력(VF21)을 받을지라도 고정되어 있기 때문에 움직임이 발생하지 않는다.

Case 2는, 위의 Case 1과 반대로 제1영구자석(11)은 고정되어 있고, 제1코일(21)은 Z축 방향으로 움직일 수 있는 경우이다. 제1코일(21)에 반시계 방향의 전류를 인가하면, 제1영구자석(11)과 제1코일(21)에 Z축 방향으로 서로 끌어당기는 힘(VF11)(VF21)이 각각 발생한다. 이때, 제1영구자석(11)은 고정되어 있어 움직일 수 없지만, 제1코일(21)은 제1영구자석(11)쪽으로 끌어 올려지는 힘인 Z축 방향 전자기력(VF21)을 받아 양의 Z축 방향으로 움직임이 발생한다. 반면, 시계 방향의 전류가 코일(21)에 인가되면, 제1영구자석(11)과 제1코일(21)은 서로 밀어내는 힘을 발생시키기 때문에 제1코일(21)은 음의 Z축 방향으로 밀려 내려오게 된다.

위에 설명한 Case 1과 Case 2는 제3영구자석(13)과 제3코일(23)에도 동일하게 적용된다. 제3영구자석(13)의 Z축 방향 자기장은 Z축 방향에 평행한 공심축을 가진 제3코일(23)의 전류와 상호 작용하여 Z축 방향의 전자기력(VF13)(VF23)을 발생시킨다. 도 4의 Case 1과 Case 2는 제1영구자석(11)과 제1코일(21) 사이에 발생하는 전자기력(VF11)(VF21)의 발생원리를 도시하였지만, 제3영구자석(13)과 제3코일(23) 사이에 발생하는 전자기력 또한 위의 Case 1과 Case 2와 동일한 원리에 의해 전자기력(VF13)(VF23)을 발생시키게 된다.

한편, 상위 운동부(1)에 구비된 제2영구자석(12)의 Z축 방향 자기장은 X축 방향에 평행한 공심축을 갖는 제2코일(22)의 전류와 상호 작용하여 X축 방향의 전자기력(HF12)(HF22)을 발생시킨다. 이 원리를 보다 구체적으로 설명하기 위해 도 4의 하단에 Case 3과 Case 4로 나누어 도시하였다.

Case 3은 제2영구자석(12)은 X축 방향으로 움직일 수 있고 제2코일(22)은 고정되어 있는 경우이다. 이 경우 제2코일(22)에 반시계 방향의 전류를 인가하면, 제2영구자석(12)와 제2코일(22)은 X축 방향으로 서로 반대되는 방향으로 추력(HF12)(HF22)을 발생시킨다. 이때, 제2영구자석(12)은 움직일 수 있는 상태이기 때문에 음의 X축 방향의 추력(HF12)을 받아 음의 X축 방향으로 움직이게 되지만, 제2코일(22)은 양의 X축 방향 추력(HF22)을 받지만 고정되어 있기 때문에 움직임이 발생하지 않는다.

Case 4는, 위의 Case 3과 반대로 제2영구자석(12)은 고정되어 있고 제2코일(22)은 X축 방향으로 움직일 수 있는 경우이다. 이 경우 제2코일(22)에 반시계 방향의 전류를 인가하면, 제2영구자석(12)과 제2코일(22)은 X축 방향으로 서로 반대되게 추력(HF12)(HF22)을 발생시킨다. 이때, 제2영구자석(12)은 음의 X축 방향의 추력(HF12)을 받지만 고정되어 있기 때문에 움직임이 발생하지 않고, 제2코일(22)은 움직일 수 있기 때문에 양의 X축 방향 추력(HF22)을 받으면서 양의 X축 방향으로 움직임이 발생하게 된다.

위의 Case 3과 Case 4의 경우, 반대로 시계 방향의 전류를 제2코일(22)에 각각 인가한다면, 발생되는 추력의 방향이 반시계 방향의 경우의 추력과 각각 반대 방향으로 되고, 이에 상응하는 방향으로의 움직임이 일어나게 된다. 이는 전술된 Case 1과 Case 2의 경우와 유사하다.

이하에서는 전술된 도 4와 같은 힘 발생원리에 기초하여, 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치에 의한 정밀 병진운동 동작원리를 도 5와 도 6을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 정밀 병진운동의 동작원리는 순수한 X축 병진운동과 Z축 및 Pitch 운동을 결합한 복합형 X축 병진운동으로 나눌 수 있다.

먼저 순수한 X축 병진운동에 대하여 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.

순수한 X축 병진운동(HM1)은 전술된 도 4의 Case 3을 기초로 발생한다. 즉, 제2영구자석(12)의 자기장과 제2코일(22)에 인가된 전류 간의 상호작용에 의해 발생하는 로렌츠 힘(Lorentz force)인 추력(HF12)이 상위 운동부(1)의 무게 중심(C.G.)에 발생하여, 상위 운동부(1)에 X축 방향(수평방향)의 움직임(HM1)이 발생한다. 이때, 상,하위 운동부(1)(2) 사이에 연결된 양쪽 스프링(3A)(3B)은 상위 운동부(1)에 일정 수준의 스프링력을 발생시키면서 운동을 안내하고 지지하여 상위 운동부(1)의 안정성을 확보하여 준다. 반면, 하위 운동부(2)는 그 자체 하중과 상위 운동부(1)의 하중이 스프링(3A)(3B)을 통하여 베이스(4)에 전달되기 때문에 상기 베이스(4)에 고정되어 Z축 방향으로의 움직임이 발생하지 않으면서, 이와 동시에 X축 방향으로의 정적 마찰력에 의해 X축 방향 움직임 또한 발생하지 않는다. 따라서 상위 운동부(1)는 X축 방향으로 순수한 병진운동을 하게 된다. 여기서, 상기 제2코일(22)에 인가되는 전류의 방향을 바꿔줌으로써 X축 병진운동의 방향을 바꿀 수 있다.

한편, Z축 및 Pitch 운동(VM1)(Pitch1)을 결합한 복합형 X축 병진운동(VM1)은 도 6에 도시된 바와 같다.

이는 전술된 도 4의 Case 1과 Case 3을 결합한 경우에 기초한 동작원리로서, 상기 순수한 X축 병진운동과 동일한 방법으로 X축 병진운동을 수행하지만, 제1 및 제3영구자석(11)(13)과 이들과 대응하는 제1 및 제3코일(21)(23) 사이에 발생하는 힘(VF11)(VF21)(VF13)(VF23)의 합력과 조합을 이용한다. 이는, 첫째로, 스프링(3A)(3B)의 비틀림이나 기생적인 회전운동, 외부환경에 의한 외란, 또는 자체 모델링 오차 등을 원인으로 Z축 혹은 Pitch 운동 방향으로 발생할 수 있는 원하지 않는 운동을 줄이거나 제거하는 것과, 둘째로, 원하는 Z축 혹은 Pitch운동을 X축 방향 병진운동과 함께 구현하기 위한 것이다.

먼저, 상위 운동부(1)의 Z축 방향 병진운동(VM1)은 제1 및 제3코일(21)(23)에 동일한 방향의 전류를 인가하여 제1 및 제3영구자석(11)(13)에 발생하는 Z축 방향 수직력(VF11)(VF13)의 합력에 의해 발생되고,

Pitch 방향 회전운동(Pitch1)은 제1 및 제3코일(21)(23)에 서로 다른 방향의 전류, 혹은 동일한 방향의 전류이지만 인가 전류의 크기를 달리함으로써 제1 및 제3영구자석(11)(13)에 발생하는 Z축 방향 수직력(VF11)(VF13)의 차이를 이용하는 등과 같이 이들 힘(VF11)(VF13)의 조합에 의해 발생한다. 따라서 Z축 및 Pitch 운동을 결합한 복합형 X축 방향 병진운동은 상위 운동부(1)에 X축, Z축 및 Pitch 방향 움직임(HM1)(VM1)(Pitch1)으로 나타난다.

이하에서는 전술된 도 4와 같은 힘 발생원리에 기초하여, 본 발명의 대변위 정밀 병진운동 장치에 의한 대변위 병진운동 동작원리를 도 7을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 대변위 병진운동의 동작원리는 4개의 단계로 분류할 수 있다: Step 0 -> Step 1 -> Step 2 -> Step3 -> Step 0 (One cycle). 이러한 4개의 단계를 하나의 사이클(cycle)로 하여 순차적이면서도 이 사이클을 꾸준히 여러 번 반복한다면 긴 거리를 보행하면서 이동할 수 있다. 여기서, 한 사이클(One cycle)은 한 번의 보폭(One step) 정도를 움직일 수 있다. 예를 들어, 다섯 사이클을 반복하였다면, 다섯 스텝을 움직일 수 있다. 또한 보폭의 크기를 제2영구자석(12)과 제2코일(22)에 의해 발생하는 전자기력(HF12)(HF22)과 스프링(3A)(3B)에 의해 발생하는 스프링력(SHF3A)(SHF3B) 사이의 힘의 평형과 조합을 이용하여 조절할 수 있다. 이로 인하여 한 스텝의 크기를 더 크게 하거나 더 작게 조절할 수 있다. 그러므로 여러 번 반복된 사이클은 그에 상응하게 스텝의 크기를 변경하거나 일정하게 하면서 여러 번 반복할 수 있기 때문에 멀리 이동할 수 있게 된다. 동작원리만으로 판단해 본다면, 본 발명의 병진운동 장치는 보행하면서 무한히 긴 변위를 움직일 수 있다는 것을 알 수 있다.

이를 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, Step 0은 하위 운동부(2)의 3개의 코일(21)(22)(23)에 전류를 인가하지 않은 상태이다. 그리고, 2개의 "C" 자형 판 스프링들(3A)(3B)은 상위 운동부(1)를 지지하고 안내하고 있기 때문에 상위 운동부(1)는 베이스(4)로부터 일정거리 떨어져 위치하고 있으면서 정적 평형 상태에 있다. 이와 같이 상기 상위 운동부(1)는 스프링(3A)(3B)에 의해 베이스(4)로부터 일정 거리 떠 있을 수 있기 때문에, 장치에 전원 공급이 갑작스럽게 중단되거나, 동작을 종료시키면서 전원을 끄게 될지라도 장치는 상위 운동부(1)의 이러한 위치와 자세를 그대로 유지할 수 있다. 또한 장치의 작동 중에, 임의의 원하는 위치로 이동한 후, 전원 공급 없이도 그 위치를 유지하기 위하여 에너지를 공급할 필요가 없기 때문에 에너지 소비를 줄일 수 있는 이점을 가진다. 이때, 하위 운동부(2)는 베이스(4) 위에 위치하고 있다.

한편, Step 1은 다음과 같은 과정을 거쳐 작동하게 된다. 즉, 제1 및 제3영구자석(11)(13)과 제1 및 제3코일(21)(23) 사이에 발생하는 수직력은 전술된 도 4의 Case 1과 Case 2에 의해 결정된다. 이로 인하여, 상위 운동부(1)는 스프링들(3A)(3B)에 의해 상위 운동부(1)에 발생되는 양의 Z축 방향 스프링력보다 상기 제1 및 제3영구자석들(11)(13)에 의해 발생하는 음의 Z축 방향 수직력(VF11)(VF13)이 더 커서 이들 수직력의 합력은 음의 Z축 방향으로 발생하여 음의 Z축 방향으로의 움직임(VM1)만큼 내려가서 지면에 놓여진다. 이때, 상위 운동부(1)에는 더 이상의 운동이 발생하지 않게 된다. 하지만, 장치 내에서 Z축 방향의 수직력의 합력이 계속적으로 발생되면 상위 운동부(1)는 베이스(4)에 의해 막혀 더 이상 아래 방향으로 운동을 발생시킬 수 없게 되지만, 이와는 반대로, 하위 운동부(2)에는 위 방향으로의 움직임(VM2)를 만들어 낸다. 즉, 이들 수직력의 합력은 스프링(3A)(3B)에 의해 하위 운동부(2)에 발생하는 스프링력보다 더 큰 제1 및 제3코일(21)(23)에 발생하는 양의 Z축 방향 수직력(VF21)(VF23)에 의해 결정되게 되며, 그로 인하여 수직방향 합력은 양의 Z축 방향으로 하위 운동부(2)에 움직임(VM2)만큼 끌어올리게 된다.

이렇게 상기 하위 운동부(2)에 움직임(VM2)이 발생하는 시간과 동시에, 혹은 그 이후 순차적으로, 상기 하위 운동부(2)에 움직임(HM2)가 발생한다. 즉, 전술된 Case 4에 의해 결정되는 제2영구자석(12)과 제2코일(22) 사이에 발생하는 추력이 발생하고, 이로 인하여, 하위 운동부(2)는 스프링들(3A)(3B)에 의해 하위 운동부(2)에 발생하는 음의 X축 방향 스프링력보다 제2코일(22)에 발생하는 양의 X축 방향 추력인 수평력(HF22)이 더 커서 이들 수평력의 합력이 하위 운동부(2)에 양의 X축 방향으로 발생하면서, 하위 운동부(2)에 양의 X축 방향으로의 움직임(HM2)이 발생한다. 여기까지가 Step 1의 상태이다. 도 7의 Step 1은 위와 같은 Step 1이 완료된 상태를 나타내고 있다.

요약하자면, Step 1의 경우, 상위 운동부(1)에는 제1 및 제3영구자석(11)(13)에 발생하는 수직력들(VF11)(VF13)에 의하여 음의 Z축으로의 움직임(VM1)이 발생하여 베이스(4)에 닿게 되면서 베이스(4)의 반력과 상기 수직력들(VF11)(VF13)의 합력은 영이 되어 상위 운동부(1)는 더 이상 움직일 수 없는 상태가 되고, 하위 운동부(2)에는 제1 및 제3코일(21)(23)에 발생하는 수직력들(VF21)(VF23)과 제2코일(22)에 발생하는 수평력(HF22)에 의하여 양의 Z축 방향 위치벡터와 양의 X축 방향 위치벡터의 벡터 합으로 표현된 움직임(VM2+HM2)이 동시에 혹은 순차적으로 발생된 후, 임의의 위치에서 스프링(3A)(3B)에 의해 발생하는 힘과 전자기력간의 합력이 영이 되는 정적 평형의 상태에 놓이게 된다.

한편, Step 2는 제2코일(22)에 인가되는 전류를 위의 Step 1에서 제2코일(22)에 인가된 전류 수준으로 유지하면서, 상기 제1 및 제3코일들(21)(23)에 인가되는 전류를 Step 1의 제1 및 제3코일(21)(23)에 인가된 각각의 전류의 크기보다 점차적으로 혹은 갑작스럽게 줄여주게 된다. 이러한 경우 발생하는 수직력은 전술된 도 4의 Case 2에 의해 결정되고 수평력은 Case 4에 의해 결정된다.

이와 같이 제1 및 제3코일들(21)(23)에 인가되는 전류를 줄여줌에 따라 상기 하위 운동부(2)에 발생되는 수직력들(VF11)(VF13)은 스프링들(3A)(3B)에 의해 발생되고 있는 수직방향의 스프링력(SVF3A)(SVF3B)보다 작아지면서 하위 운동부(2)는 음의 Z축 방향으로의 움직임(VM2)이 발생하게 되어 다시 베이스(4) 위에 놓이게 된다. 이때, 제2코일(22)에 인가되는 전류는 위의 Step 1에서 제2코일(22)에 인가된 전류 수준으로 유지되고 있으므로 X축 방향인 수평방향으로의 움직임이 거의 없이 Z축 방향 움직임(VM2)이 발생할 수 있게 된다. 반면, 상위 운동부(1)의 경우는 제1 및 제3코일(21)(23)에 인가된는 전류가 점차적으로 혹은 급속히 줄이면서 제1 및 제3영구자석들(11)(13)에 Z축 방향으로의 전자기력이 줄어들지만, 상위 운동부(1)가 아직 지면에 맞닿아 있기 때문에 그로 인하여 발생하는 스프링력은 여전히 상위 운동부(1)와 하위 운동부(2)에 발생하고 있다. 그러므로 이 상태는 Step 1의 경우보다 줄어든 전자기력이 스프링력과 같거나 조금 더 큰 정도이다. 도 7의 Step 2와 같이, 완료된 상태의 Step 2는 결국 음의 Z축 방향 수직력을 상위 운동부(1)가 받고 있으며 이러한 수직력을 베이스(4)와 하위 운동부(2)에 그대로 전달하고 있기 때문에 상위 운동부(1)에는 어떠한 움직임도 없이 베이스(4)에 그대로 놓여있게 된다. 도 7의 Step 2는 단계 2가 완료된 상태를 나타내고 있다.

이어서, Step 3은 제1 및 제3코일(21)(23)에 인가된 전류를 점차 줄여주면서 결국에는 영으로 만들어주어 더 이상 Z축 방향 수직력이 발생하지 않도록 만들어 주고, 제2코일(22)에 인가되는 전류를 점차 줄여주면서 결국에는 영으로 만들어 준다. 이때 발생하는 수평력은 도 4의 Case 3에 의해 결정된다. 이로 인하여 상위 운동부(1)에는 대각선 방향의 움직임(VM1+HM1)이 발생하게 된다.

이로 인하여, 상위 운동부(1)는 제1 및 제3코일들(21)(23)에 인가된 전류를 점차 줄여 결국 영으로 만들어 주기 때문에 제1 및 제3영구자석들(11)(13)에 발생되는 음의 Z축 방향 수직력(VF11)(VF13)보다 스프링(3A)(3B)에 의해 상위 운동부(1)에 발생되는 수직방향 스프링력이 더 커지게 되어 양의 Z축 방향으로의 움직임(VM1)이 발생된 후 혹은 발생되는 것과 동시에, 제2코일(22)에 인가되는 전류를 점차 줄여 결국 영으로 만들어 주기 때문에 제2영구자석(12)에 발생되는 음의 X축 방향 수평력(HF12)보다 스프링들(3A)(3B)에 의해 상위 운동부(1)에 발생되는 수평방향 스프링력이 더 커지게 되어 양의 X축 방향으로의 움직임(HM1)이 발생하고, 제2코일(22)에 인가되는 전류를 줄여 결국 영이 되도록 하면 스프링(3A)(3B)와의 상호작용에 의해 상위 운동부(1)는 임의의 위치에서 정적 평형 상태에 도달하게 된다.

위의 Step 3이 완료된 시점에서 제1 및 제3코일(21)(23)과 제2코일(22)에 인가된 전류가 각각 영이 되면 Step 0의 상태인 초기 단계와 동일한 조건이 되면서 인가전류의 조절에 의해 발생하는 능동적인 전자기력의 발생이 없어지면서 한 번의 사이클(One cycle)이 완료된다. 하지만, 이러한 Step 3이 Step 0과 다른 점은 한 번의 사이클을 완료한 상태이기 때문에 전체 장치는 한 번의 보폭(One step)만큼 이동하였다는 것이다.

위와 같은 사이클에 기초한 대변위 정밀 병진운동 장치는 한 번의 사이클에 대하여 한 번의 보폭(One step)만큼 움직일 수 있고, 사이클을 여러 번 반복하게 되면, 그에 상응하게 여러 번의 보폭을 움직일 수 있기 때문에 대변위 병진운동이 가능하다.

한편, 위와 같은 대변위 병진운동에서 상위 운동부(1)의 X축 방향 운동에 따른 위치 변화를 감지하기 위하여 임의의 초기위치를 설정하고, 이 초기위치를 기준으로 하여 상위 운동부(1)의 X축 방향 변위를 측정하기 위하여 레이저 변위 센서 등과 같은 비접촉 센서인 X축 방향 센서(5; 도 3 참조)를 사용하여 감지한다.

이와 함께, 상위 운동부(1)의 Z축 방향 운동에 따른 위치 변화를 감지하기 위하여 임의의 초기위치를 설정하고, 이 초기 위치를 기준으로 하여 상위 운동부(1)의 Z축 방향 변위를 측정하기 위하여 정전용량(capacitive) 센서 혹은 홀(Hall) 센서 등과 같은 비접촉 센서인 Z축 방향 센서(6A)(6B)을 사용하게 된다. 이들 비접촉 센서들(6A)(6B)로부터 Z축 방향 운동을 감지하고 이들 센서들의 Z축 방향 운동 차이를 이용하여 Pitch 운동을 감지한다.

한편, 본 발명에 따른 대변위 정밀 병진운동 장치를 제어하는 제어부는, 도 8에 도시된 바와 같이, 상위 운동부(1)의 3 자유도(X축, Z축, Pitch 방향) 운동을 제어하기 위하여, 제1 및 제3영구자석(11)(13)과 제1 및 제3코일(21)(23)을 구성으로하는 두 쌍의 Z축 방향 영구자석-코일 구동기와 제2영구자석(12)과 제2코일(22)로 구성된 한 쌍의 X축 방향 영구자석-코일 구동기와, X축 방향의 운동을 감지하는 X축 방향 센서(5)와, Z축 방향 운동을 감지하는 Z축 방향 센서(6A)(6B)와, 파워 앰프, 아날로그-디지털 변환기, 디지털-아날로그 변환기, 제어 알고리즘과 컴퓨터를 통하여 운동을 제어하게 된다. 이때, X축, Z축 및 Pitch 방향의 정밀 운동 제어는 스위치 1과 스위치 3을 ON 하고 나머지 스위치들은 OFF 함으로써 가능하고, 전체 장치의 대변위 운동 제어를 위한 X축, Z축 및 Pitch 운동의 궤적제어는 스위치 2와 스위치 3을 ON 하고 나머지 스위치들은 OFF 함으로써, 전술된 도 7과 같은 과정에 궤적 제어 알고리즘을 결합함과 동시에 피드백 제어를 이용함으로써 가능하게 수행된다. 그리고, 개루프(open-loop) 대변위 운동인 보행운동은 스위치 4만 ON하고 나머지 스위치는 모두 OFF 함으로써 하위 운동부(2)의 3개의 코일들(21)(22)(23)에 전술된 도 7과 같은 과정으로 전류를 인가해 줌으로써, 피드백 제어 없이 개루프만으로도 대변위 운동이 가능하다.

1: 상위 운동부
11, 12, 13: 제1,2,3영구자석
2: 하위 운동부
21, 22, 23: 제1,2,3코일
3: 연결 스프링
4: 베이스
5: X축 방향 센서
6A,6B: Z측 방향 센서
VF11, VF13: 제1 및 제3영구자석에 발생한 각각의 Z축 방향 수직력
HF21, VF23: 제1 및 제3코일에 발생한 각각의 Z축 방향 수직력
HF12: 제2영구자석에 발생한 X축 방향 수평력
HF22: 제2코일에 발생한 X축 방향 수평력
VM1, VM2: 상위 운동부와 하위 운동부에 발생한 각각의 Z축 방향 움직임
HM1, HM2: 상위 운동부와 하위 운동부에 발생한 각각의 X축 방향 움직임
Pitch1: 상위 운동부의 Y축에 대한 회전 움직임

Claims (19)

1. 상판과, 서로 동일한 자화방향을 가지며 상기 상판의 하부면에 일정 간격을 두고서 부착되는 복수의 영구자석과, 상기 상판의 양 끝단 하부면에 고정되는 한 쌍의 버팀대로 구성된 상위 운동부;
   상기 상판과 일정거리 이격된 하부 측에 배치되는 하판과, 상기 복수의 영구자석과 대응하여 상기 하판의 상부면에 부착되며 서로 다른 방향의 공심축을 갖는 복수의 코일과, 상기 각 버팀대가 관통되는 한 쌍의 구멍을 갖는 하위 운동부;
   상기 상위 운동부와 하위 운동부 사이에 연결되며 상기 상위 운동부를 탄성적으로 지지하거나 안내해 주는 한 쌍의 스프링;
   상기 하위 운동부의 운동을 안내하고 지지해 주는 베이스;
   상기 상위 운동부 혹은 하위 운동부의 운동을 제어하기 위한 복수의 코일을 구동할 수 있는 다수의 파워앰프와, 그 운동을 감지할 수 있는 복수의 센서와, 아날로그-디지털 변환기, 디지털-아날로그 변환기, 제어 알고리즘과 컴퓨터를 통하여 상기 상위 운동부와 하위 운동부의 운동을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 상위 운동부에 구비되는 복수의 영구자석은 Z축 방향의 자화방향을 갖는 3개의 제1,2,3영구자석으로 구성되고,
   상기 하위 운동부에 구비되는 복수의 코일은 상기 제1,2,3영구자석과 각각 대응하는 3개의 제1,2,3코일로 구성되며,
   상기 하위 운동부의 양측에 위치된 상기 제1 및 제3코일은 Z축 방향의 공심축을 갖고, 중앙에 위치된 상기 제2코일은 X축 방향의 공심축을 갖는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 영구자석 및 상기 코일은 상기 각각의 상위 운동부 및 하위 운동부에 적어도 2개 이상이 구비되는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 센서는,
   상기 상위 운동부와 하위 운동부의 상대운동인 Z축 및 Pitch 운동을 감지할 수 있는 복수의 Z축 방향 센서와;
   상기 상위 운동부의 X축 방향 운동을 감지할 수 있는 X축 방향 센서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 X축 방향 센서는 상기 베이스로부터 일정거리 떨어진 그라운드(ground)상에 고정된 지지대 위에 설치되는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
   
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 복수의 영구자석과 코일은 상기 각 상판 및 하판에 일정간격을 두고서 일렬로 배열 설치되는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
   
7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 복수의 영구자석과 코일은 상기 각 상판 및 하판에 바둑판 무늬 모양으로 배열 설치되는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 베이스의 상면에는 상기 하위 운동부의 X축 방향 운동을 안내하기 위한 안내홈이 형성된 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 베이스의 안내홈과 상기 하위 운동부의 하판이 접촉되는 일측면은 경사지게 가공된 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
   
10. 제1항에 있어서, 상기 스프링은 판 형상을 갖는 판 스프링인 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
    
11. 제1항에 있어서, 상기 상,하위 운동부는 상기 코일에 인가되는 전류의 인가시간에 따라 X축 방향(수평 방향) 또는 Z축 방향(수직 방향)으로의 운동이 번갈아 이루어지는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
    
12. 제1항에 있어서, 상기 상,하위 운동부는 상기 영구자석과 코일 간의 상호작용에 의해 발생하는 전자기력과 상기 상, 하위 운동부 사이에 연결된 스프링에 의해 발생하는 스프링력 간의 합력 혹은 힘의 조합에 의하여 X축 및 Z축 방향의 병진운동과 Pitch 방향의 회전운동이 수행되는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
    
13. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 스프링의 스프링력에 의한 개루프(open-loop) 제어를 통해 X축, Z축, Pitch 방향 운동에 대한 변위를 발생시켜 정밀 병진운동이 이루어지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
    
14. 제1항에 있어서, 상기 제어부에 의한 피드백(feed-back) 제어는,
    정밀 병진운동을 위하여 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동에 대한 변위 정보를 입력한 후, 상기 센서들로부터의 측정된 값을 피드백 받아 컴퓨터에 저장하고, 에러에 기초한 제어알고리즘을 이용하여 X축, Z축, Pitch 방향 모드 힘을 얻어내고, 이로부터 복수의 코일과 영구자석으로 구성된 상,하위 운동부에 줄 힘을 산정해 내고, 이를 힘-전류 관계를 통하여 변환하여 나온 신호를 파워 앰프에 전달하는 일련의 과정을 반복하여 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동에 대한 변위를 발생시키는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
    
15. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 스프링의 스프링력에 의한 개루프(open-loop) 제어를 통해 X축, Z축, Pitch 방향 운동을 조합한 궤적운동을 발생시켜 대변위 병진운동을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
    
16. 제1항에 있어서, 상기 제어부에 의한 피드백(feed-back) 제어는,
    대변위 병진운동을 위하여 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동을 조합한 궤적운동 정보를 입력한 후, 상기 센서들로부터의 측정된 값을 피드백 받아 컴퓨터에 저장하고, 에러에 기초한 제어알고리즘을 이용하여 X축, Z축, Pitch 방향 모드 힘을 얻어내고, 이로부터 상기 복수의 코일과 영구자석으로 구성된 상,하위 운동부에 줄 힘을 산정해 내고, 이를 힘-전류 관계를 통하여 변환하여 나온 신호를 파워 앰프에 전달하는 일련의 과정을 반복하여 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동을 조합한 궤적 운동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
    
17. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    다수의 스위칭 알고리즘 혹은 다수의 스위치를 이용하여 개루프 및 피드백 정밀 병진운동과 개루프 및 피드백 대변위 병진운동을 한 번만, 또는 연속적으로, 또는 순차적으로 또는 동시에 발생시키는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치.
    
18. 상위 운동부에 구비된 복수의 영구자석과 하위 운동부에 구비된 복수의 코일 사이에서 발생하는 로렌츠 힘과, 상기 상위 운동부와 하위 운동부 사이에 연결된 스프링의 스프링력에 의한 개루프(open-loop) 제어를 통해, 상기 상위 운동부 및 하위 운동부에 발생하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동 정보를 조합하여 정밀 병진운동 및 대변위 병진운동을 발생시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치 제어방법.
    
19. 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동에 대한 정보를 입력한 후, 복수의 센서들로부터의 측정된 값을 피드백 받아 컴퓨터에 저장하고, 에러에 기초한 제어알고리즘을 이용하여 X축, Z축, Pitch 방향 모드 힘을 얻어내고, 이로부터 복수의 코일과 영구자석으로 구성된 상,하위 운동부에 줄 힘을 산정해 내고, 이를 힘-전류 관계를 통하여 변환하여 나온 신호를 파워 앰프에 전달하는 일련의 과정을 반복하여 원하는 X축, Z축, Pitch 방향 운동을 조합함으로써 정밀 병진운동 및 대변위 병진운동을 발생시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 대변위 정밀 병진운동 장치 제어방법.

Images