KR101133990B1

KR101133990B1 - 피에조 스캐너 장치

Info

Publication number: KR101133990B1
Application number: KR1020050069965A
Authority: KR
Inventors: 김호상; 이대희; 김상인
Original assignee: 고등기술연구원연구조합
Priority date: 2005-07-30
Filing date: 2005-07-30
Publication date: 2012-04-09
Also published as: KR20070015265A

Abstract

본 발명은 플랫폼에 입사되는 레이저 빔을 원하는 방향으로 반사하기 위해 플랫폼을 고속, 고정밀로 편향시키는 피에조 스캐너 장치에 관한 것으로서, 플랫폼에 입사되는 레이저 빔을 원하는 방향으로 고속, 고정밀로 편향시킬 수 있도록 플랫폼이 일정한 회전 중심을 갖도록 하고, 플랫폼의 연결부위에 작용되는 응력을 감소시키며, 제조과정에서 발생한 오차와 구동환경변화로 인한 오차 하에서도 고속, 고정밀의 회전 운동이 가능하도록 한 피에조 스캐너 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이와 같은 목적을 실시하기 위한 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치는 베이스와, 상기 베이스의 상측에 배치되는 플랫폼과, 상기 베이스의 설치되어 상기 플랫폼의 하부를 각각 지지하는 한 쌍의 액츄에이터와, 상기 플랫폼과 하나의 축으로 회전가능하게 결합되고 그 축과 직교하는 축으로 베이스의 양측에 회전가능하게 결합되는 연결부재를 포함한다.

레이저, 피에조, 스캐너, 액츄에이터, 피봇, 회전, 병진, 힌지, 레버, 플랫폼

Description

피에조 스캐너 장치 {SCANNING APPARATUS HAVING A PAIR OF ACTUATOR}

도 1은 종래 기술에 따른 피에조 스캐너 장치가 도시된 정면도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 피에조 스캐너 장치의 플랫폼이 상승된 작동상태도.

도 3은 종래 기술에 따른 피에조 스캐너 장치의 플랫폼이 회전된 작동상태도.

도 4는 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치의 일부가 절결된 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치의 정면도.

도 6은 도 5의 A-A선의 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치의 플랫폼이 상승된 작동상태도.

도 8은 도 7의 B-B선의 단면도.

도 9는 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치의 플랫폼이 회전된 작동상태도.

도 10은 도 9의 C-C선의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

50 : 스캐너 장치 52 : 베이스

53 : 지지부 56 : 플랫폼

58 : 액츄에이터 60 : 연결부재

61 : 피봇연결체 62 : 피봇연결부

63 : 제1힌지부 64 : 승강연결체

65 : 제2힌지부 66 : 레버

67 : 제3힌지부

본 발명은 피에조 스캐너 장치에 관한 것으로서, 플랫폼에 입사되는 레이저 빔을 원하는 방향으로 반사하기 위해 플랫폼을 고속, 고정밀로 편향시키는 피에조 스캐너 장치에 관한 것이다.

일반적인 레이저 가공 장치는 전자파의 유도 방출을 이용하여 빛을 증폭하여 고에너지를 갖는 레이저 빔을 발산하는 장치로서, 레이저 빔의 에너지를 조절하여 모재의 표면을 검사하거나, 절단, 또는 모재의 표면에 묻은 이물질을 세정하는 용도 등 여러 분야에 사용되고 있다. 이와 같이 레이저 빔을 이용한 레이저 가공 장치는 여러 분야에 다양한 방법으로 사용되고 있으며, 그 이용분야가 본 발명의 명세서에 의해 한정되지 않는다.

전술된 레이저 가공 장치는 고에너지를 갖는 레이저 빔을 일방향으로 조사하여 대상물의 가공, 측정 등의 작업을 수행하는 장치이다. 이러한 레이저 가공 장치에서 발사된 레이저 빔은 이를 반사하는 스캐너 장치로 입사된 후, 상기 스캐너 장치의 병진운동 또는 회전운동에 의해 원하는 방향으로 편향되어 반사된다.

종래의 스캐너 장치(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 베이스(12)의 양측에 지지부(13)가 형성되고, 상기 베이스(12) 및 지지부(13)의 상측에는 플랫폼(16)이 위치된다. 상기 플랫폼(16)에는 (도시되지 않은) 반사미러가 장착되며, 전술된 레이저 장치에서 발사된 레이저 빔을 반사한다.

또한, 상기 베이스(12)의 지지부(13) 상단에는 탄성힌지(20)의 일단이 연결 설치되며, 상기 탄성힌지(20)의 타단은 상기 플랫폼(16)과 연결 설치되며, 상기 플랫폼(16)의 이동을 제한한다. 또한, 상기 베이스(12)의 상부에는 상기 플랫폼(16)의 하면을 지지 또는 가압하는 액츄에이터(18)가 설치된다. 상기 액츄에이터(18)는 상기 플랫폼(16)의 회전축을 중심으로 대칭으로 배치될 수 있도록 적어도 한 쌍으로 이루어지며, 성능의 향상을 위해 복수의 쌍으로 구성될 수 있다.

종래 기술에 따른 피에조 스캐너 장치(10)의 플랫폼(16)이 승강 또는 회전된 작동상태도인 도 2와 도 3을 참고하면, 전술된 스캐너 장치(10)는 상기 액츄에이터(18)의 상대적인 운동에 의해 상기 플랫폼(16)에 병진 또는 회전운동하게 된다.

즉, 한 쌍의 액츄에이터(18)가 동시에 승강하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 플랫폼(16)이 상하 방향으로 병진운동을 한다. 이때, 상기 플랫폼(16)은 상기 탄성힌지(20)에 의해 이동이 구속된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 액츄에이터(18) 중 어느 하나가 상승하거나, 또는/및 다른 하나가 하강하면 상기 플랫폼(16)이 회전운동을 한다.

그러나, 종래 기술에 따른 스캐너 장치(10)는 상기 플랫폼(16)의 이동을 구 속하는 탄성힌지(20)가 상기 액츄에이터(18)의 외곽에 위치되므로, 상기 탄성힌지(20)의 이동변위는 상기 액츄에이터(18)의 이동변위에 비해 항상 크다. 따라서, 상기 플랫폼(16)의 최대 회전운동시 상기 탄성힌지(20)에 과도한 응력이 발생하는 문제가 있다.

또한, 이와 같이, 상기 탄성힌지(20)의 이송변위가 큰 경우, 상기 탄성힌지(20)가 연결되는 구조물의 고유진동수가 저하되는 현상이 발생할 수 있다. 이와 같이, 구조물의 고유진동수가 저하되면 구조물의 전체적인 강성이 저하되며, 이에 따라 제품의 안정성이 저하된다.

또한, 전술된 스캐너 장치(10)는 상기 플랫폼(16)의 회전 중심이 고정되지 않은 상태이며, 따라서 상기 플랫폼(16)의 회전운동시 원하는 방향으로 일정한 회전을 유도하기 위해서는 상기 탄성힌지(20)의 정밀한 설계 및 상기 액츄에이터(18)의 정확한 장착이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제를 해소하기 위한 것으로, 플랫폼에 입사되는 레이저 빔을 원하는 방향으로 고속, 고정밀로 편향시킬 수 있도록 플랫폼이 일정한 회전 중심을 갖도록 하고, 플랫폼의 연결부위에 작용되는 응력을 감소시키며, 제조과정에서 발생한 오차와 구동환경변화로 인한 오차 하에서도 고속, 고정밀의 회전 운동이 가능하도록 한 피에조 스캐너 장치를 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 실시하기 위한 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치는 베이스와, 상기 베이스의 상측에 배치되는 플랫폼과, 상기 베이스에 설치되어 상기 플랫폼의 하부를 각각 지지하는 한 쌍의 액츄에이터와, 상기 플랫폼과 하나의 축으로 회전가능하게 결합되고 그 축과 직교하는 축으로 베이스의 양측에 회전가능하게 결합되는 연결부재를 포함한다.

상기 한 쌍의 액츄에이터는 상기 플랫폼의 회전축에 대칭으로 배치될 수 있다. 또한, 상기 연결부재는 상기 플랫폼과 연결되며 일방향으로 회동하는 제1힌지부를 갖는 피봇연결체와, 상기 피봇연결체 및 상기 베이스와 각각 연결되며 상기 제1힌지부와 직교하는 일방향으로 회동하는 제2힌지부 및 제3힌지부와, 상기 제2힌지부와 제3힌지부를 연결하는 레버를 갖는 복수의 승강연결체를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1힌지부, 제2힌지부 및 제3힌지부는 탄성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 레버는 탄성재질로 이루어지는 것도 가능하다. 더불어, 상기 제1힌지부는 상기 플랫폼의 중심부에 연결될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 특징적인 구성 및 이에 따른 작용효과는 첨부된 도면을 참조한 실시예의 상세한 설명을 통해 더욱 명확해 질 것이다. 더불어, 본 발명에서 피에조 스캐너 장치의 병진운동과 회전운동의 이해를 돕기 위해 다소 과장되게 표현될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치의 일부가 절결된 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치의 정면도, 도 6은 도 5의 A-A선의 단면도이다.

본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치(50)는, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 작업면에 베이스(52)가 설치되며, 상기 베이스(52)의 양측에는 지지부(53)가 형성된다.

또한, 상기 베이스(52)의 상측에는 상측으로 물건을 안착할 수 있는 안착부가 형성된 플랫폼(56)이 배치된다. 상기 플랫폼(56)의 상부에는 레이저 가공장치 등에서 발사되는 레이저 빔을 반사하기 위한 (도시되지 않은) 반사미러가 장착될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스캐너 장치는 레이저 빔을 반사하는 실시예에 대해 설명되고 있으나, 그 용도가 한정되지 않는다. 일례로 본 발명의 스캐너 장치의 플랫폼(56)에는 레이저 빔을 발사하는 (도시되지 않은) 레이저 가공장치가 장착될 수 있으며, 상기 플랫폼(56)에 대상물을 안착시키고 별도로 설치된 레이저에 의해 상기 대상물을 가공하는 것도 가능하다.

한편, 상기 베이스(52)에는 (도시되지 않은) 제어부에 의해 작동이 제어되는 한 쌍의 액츄에이터(58)가 설치된다. 상기 액츄에이터(58)는 상기 제어부에 의해 길이가 신장/수축되며, 상기 플랫폼(56)의 하단 양측을 지지/가압하며 상기 플랫폼(56)을 회전 또는 병진운동을 시킨다.

한편, 상기 플랫폼(56)의 하부에는 하나의 축으로 회전가능하게 결합되는 연결부재(60)가 설치된다. 더불어, 상기 연결부재(60)는 상기 베이스(52)의 양측에 상기 플랫폼(56)의 회전축과 직교하는 축으로 회전가능하게 결합된다. 이에 따라 상기 플랫폼(56)은 상기 연결부재(60)에 의해 회전 및 이동이 구속된다.

이와 같이, 상기 플랫폼(56)을 회전 및 이동하기 위해서는 상기 액츄에이터 (58)가 상기 플랫폼(56)의 회전축에 대칭으로 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 실시예에서 한 쌍의 액츄에이터(58)가 설치된 실시예에 대해 설명하고 있으나, 출력이 다른 복수의 액츄에이터(58)를 설치하거나, 동일한 출력의 액츄에이터(58)가 적어도 하나 이상의 쌍을 이루도록 설치하는 것도 물론 가능하다. 다만, 본원발명에서는 2개의 액츄에이터(58)를 갖는 스캐너 장치(50)에 대해 설명한다.

상기 액츄에이터(58)는 피에조 소자로 이루어진다. 상기 피에조 소자는 입력되는 전압에 의해 길이가 변하는 동적 소자로서, 상기 제어부에 의해 지속적으로 입력되는 전압에 의해 일정한 높이가 유지되도록 제어된다.

더불어, 본 발명의 실시예에 있어서, 피에조 소자로 이루어진 액츄체이터(58)에 대해 설명되고 있으나, 상기 액츄에이터는 피에조 소자는 물론이고, 유체 또는 공기의 압력을 이용한 실린더, 또는 리니어 모터 및 그에 연결된 회전축 등의 변위를 갖는 다양한 장치가 이용될 수도 있다.

한편, 전술된 연결부재(60)는 상기 플랫폼(56)과 연결되는 피봇연결체(61)와, 상기 피봇연결체(62)와 상기 베이스(52)의 양측에 연결되는 복수의 승강연결체(64)로 이루어진다.

여기서, 상기 피봇연결체(61)는 상기 플랫폼(56)과 연결되며 일방향으로 회동하는 제1힌지부(63)와 피봇연결부(62)를 가지며, 이에 따라 하나의 축으로 회전가능하게 구속된다.

또한, 상기 승강연결체(64)는 상기 피봇연결체(62)와 연결되는 제2힌지부 (65)와, 상기 베이스(52)의 지지부(53)와 연결되는 제3힌지부(67) 및 상기 제2힌지부(65)와 제3힌지부(67)를 연결하는 레버(66)로 이루어진다. 상기 제2힌지부(65) 및 제3힌지부(67)는 상기 제1힌지부(63)와 직교하는 일방향으로 회동가능하게 설치된다.

여기서, 상기 레버(66)는 변형이 없는 강성 재질이며, 상기 제1힌지부(63), 제2힌지부(65) 및 제3힌지부(67)는 탄성 재질로 이루어진 탄성힌지이다. 따라서, 상기 플랫폼(56)은 한 쌍의 액츄에이터(58)에 발생하는 변위에 대해 상기 플랫폼(56)이 이동하게 되고, 상기 제1힌지부(63), 제2힌지부(65) 또는 제3힌지부(67)에 의해 이동이 구속된다. 이를 위해 상기 제1힌지부(63), 제2힌지부(65) 및 제3힌지부(67)는 탄성변형이 유리하도록 상기 레버(66) 또는 피봇연결체(62)의 단면적에 비해 작은 연결 단면적을 갖는다.

이와 같이, 상기 제1힌지부(63)가 상기 제2힌지부(65) 및 제3힌지부(67)와 직교방향의 회전축을 갖게됨에 따라 상기 플랫폼(56)의 회전시 발생하는 반발력으로 인하여 회전 중심축이 변화되는 것이 방지된다.

나아가, 상기 제1힌지부(63)는 상기 플랫폼(56)의 하면 중심부에 연결되며, 이에 따라 상기 플랫폼(56)이 무게 중심인, 중심부를 기준으로 하여 회동된다.

보다 상세한 이해를 돕기 위한 작동예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치의 플랫폼이 상승된 작동상태도이다.

전술된 바와 같이 구성된 스캐너 장치(50)는, 도 7과 도 8에 도시된 바와 같 이, (도시되지 않은) 제어부의 작동신호에 따라 한 쌍의 액츄에이터(58)가 동시에 신장될 경우 플랫폼(56)이 병진운동을 하게 된다. 이때, 상기 플랫폼(56)과 연결된 제1힌지부(63)는 회동하지 않은 상태에서, 피봇연결체(62)와 베이스(52)의 지지부(53)에 각각 연결된 제2힌지부(65)와 제3힌지부(67)는 탄성 변형된다. 이때, 제2힌지부(65)와 제3힌지부(67)를 연결하는 레버(66)는 강성 재질이고, 상기 제2힌지부(65)와 제3힌지부(67)는 회동에 의한 변형 및 길이방향으로 소정의 신장 변형될 수 있다.

한편, 상기 스캐너 장치(50)는 제어부의 작동신호에 따라 한 쌍의 액츄에이터(58) 중 어느 하나가 상승하거나, 또는/및 다른 하나가 하강하면 상기 플랫폼(56)이 회전하게 된다.

도 9는 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치의 플랫폼이 회전된 작동상태도이고, 도 10은 도 9의 C-C선의 단면도이다.

이때, 도 9와 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 플랫폼(56)의 중심부 높이가 변하지 않은 상태에서 한 쌍의 액츄에이터(58) 중 어느 하나는 상승하고, 다른 하나는 그 상승한 높이만큼 하강하게 되면 상기 플랫폼(56)이 회전하게 된다.

이와 같이, 상기 플랫폼(56)이 회전하게 되면, 상기 제1힌지부(63)는 상기 플랫폼(56)의 회전방향으로 탄성 변형되며 회동된다.

이때, 상기 제2힌지부(65) 및 제3힌지부(67)는 변형하지 않으며, 따라서 상기 플랫폼(56)의 회전 중심축이 변화되지 않게 된다.

더불어, 상기 플랫폼(56)의 높이가 변하는 상태에서 회전이 이루어질 경우, 상기 플랫폼(56)은 회전운동과 병진운동이 동시에 진행된다. 이때, 상기 제1힌지부(63)는 회전방향으로 탄성 변형되고, 상기 제2힌지부(65) 및 제3힌지부(67)는 상기 제1힌지부(63)의 회전축 방향과 직교하는 회전축 방향으로 탄성 변형된다.

한편, 상기 플랫폼(56)은 한 쌍의 액츄에이터(58)의 작동에 의해 병진운동 또는/및 회전운동을 한다. 이와 같은 상기 플랫폼(56)의 작동에 의해 상부에 장착된 반사미러는 별도로 설치된 레이저 가공 장치에서 발사되는 레이저 빔을 신속하고, 정확하게 원하는 방향으로 반사한다.

더불어, 상기 스캐너 장치(50)는 상기 병진운동과 회전운동을 서로 다른 힌지부에서 담당하도록 하여 이송변위를 최소화함으로써, 이 부분에 가해지는 응력을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 플랫폼(56)의 회전축이 상기 제1힌지부(63)의 회전축에 대해 고정되므로 스캐너의 조립 또는 작동시 발생할 수 있는 오차 하에서도 일정한 방향으로 회전을 유도할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치를 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 피에조 스캐너 장치는 플랫폼에 입사되는 레이저 빔을 원하는 방향으로 반사하기 위해 플랫폼을 고속, 고정밀로 편향시킬 수 있다. 또한, 상기 플랫폼과 하나의 축으로 회전가능하게 결합되고 그 축과 직교하는 축으로 베이스의 양측에 회전가능하게 결합되는 연결부재에 의해 이동이 구속되므로 상기 플랫폼이 일정한 회전 중심을 갖게 되고, 이에 따라 플랫폼의 연결부위에 작용되는 응력을 감소하게 되며, 제조과정 또는 작동과정에서 발생한 오차와 구동환경변화로 인한 오차 하에서도 고속, 고정밀의 회전 운동이 가능하게 된다.

Claims

베이스와,

상기 베이스의 상측에 배치되는 플랫폼과,

상기 베이스에 설치되어 상기 플랫폼의 하부를 각각 지지하는 한 쌍의 액츄에이터와,

상기 플랫폼과 하나의 축으로 회전가능하게 결합되고 그 축과 직교하는 축으로 베이스의 양측에 회전가능하게 결합되는 연결부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조 스캐너 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 한 쌍의 액츄에이터는 상기 플랫폼의 회전축에 대칭으로 배치된 것을 특징으로 하는 피에조 스캐너 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 연결부재는 상기 플랫폼과 연결되며 일방향으로 회동하는 제1힌지부를 갖는 피봇연결체와,

상기 피봇연결체 및 상기 베이스와 각각 연결되며 상기 제1힌지부와 직교하는 일방향으로 회동하는 제2힌지부 및 제3힌지부와, 상기 제2힌지부와 제3힌지부를 연결하는 레버를 갖는 복수의 승강연결체를 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조 스캐너 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 제1힌지부, 제2힌지부 및 제3힌지부는 탄성 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 피에조 스캐너 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 레버는 탄성재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 피에조 스캐너 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 제1힌지부는 상기 플랫폼의 중심부에 연결된 것을 특징으로 하는 피에조 스캐너 장치.