KR101365505B1 - 나선형 구조를 이용한 정밀 병진운동이 가능한 탄성 선형관절 - Google Patents

Abstract

이 발명의 탄성 선형관절(100)은 다수회의 회전수로 나선형 모양으로 감기며 일측 단부(111)가 구조물의 고정부재에 고정 가능한 2개의 나선형 부재(110)와, 2개의 나선형 부재(110)의 중심을 관통하여 그 중심에 위치하는 타측 단부(112)에 각각 고정되어 2개의 나선형 부재(110)를 일정 간격을 두고 서로 연결하는 구동부재(120)로 구성된다. 이 발명은 고정부재와 구동부재를 2개 이상의 나선형 부재를 이용해 공차가 없이 연결하되 나선형 부재의 탄성변형만을 이용함에 따라 종래의 선형관절과 다르게 마찰 없이 정밀한 병진운동이 가능한 장점이 있다. 또한, 이 발명은 나선형 부재의 회전수 조절과 단면적의 가변적 설계를 통해 선형관절의 변형량을 다양하게 가질 수 있어 마찰의 영향이 크게 작용하는 기계요소 혹은 나노/마이크로 크기의 소자의 구동에 응용할 수 있는 장점이 있다.

Description

나선형 구조를 이용한 정밀 병진운동이 가능한 탄성 선형관절{Elastic linear joint for accurate translation motion using helical structures}

이 발명은 선형관절에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정밀 구동 및 고변위가 필요한 기계요소의 구동에 적용 가능하며, 변형시 마찰이 무시되는 장점이 있어 마찰의 영향이 지배적인 나노/마이크로 스케일에서 효과적으로 활용될 수 있는 나선형 구조를 이용한 정밀 병진운동이 가능한 탄성 선형관절에 관한 것이다.

기계/전자/바이오 산업 등에서 사용되는 기계장치들은 사용하고자 하는 목적에 따라 다양한 움직임으로 구동할 수 있어야 한다. 이러한 다양한 움직임 중에서 병진운동을 구현하기 위해 선형관절이 사용되고 있다. 여러 기계장치에 사용되는 선형관절은 그 종류가 다양하지만, 대부분의 선형관절은 구조물에 고정되어 있는 고정부재에 구동부재가 병진운동을 할 수 있도록 충분한 공차를 갖도록 고정부재에 구동부재가 연결되는 형태로 구성되어 있다.

그런데, 상기와 같은 형태의 선형관절은 구동부재가 병진운동을 하게 되면 고정부재와 구동부재 사이에 마찰이 필연적으로 발생하기 때문에, 에너지 손실 및 기계요소의 수명 단축의 원인이 되고 있다. 특히, 나노/마이크로 크기에서는 표면 현상인 마찰력이 지배적이기 때문에, 나노/마이크로 크기의 구동소자에 종래와 같은 형태의 선형관절을 적용하는데 어려움이 있다. 한편, 마찰력을 감소시키기 위해서는 고정부재와 구동부재 간에 공차를 크게 설계할 수도 있지만, 이럴 경우 정밀 선형 움직임을 구현하는데 한계가 있다.

따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고정부재와 구동부재를 2개 이상의 나선형 부재를 이용해 공차가 없이 연결하되 나선형 부재의 탄성변형만을 이용함에 따라 종래의 선형관절과 다르게 마찰 없이 정밀한 병진운동이 가능한 탄성 선형관절을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 이 발명은 나선형 부재의 변형량을 다양하게 가질 수 있어 마찰의 영향이 크게 작용하는 기계요소 혹은 나노/마이크로 크기의 소자의 구동에 응용할 수 있는 탄성 선형관절을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 탄성 선형관절은 다수회의 회전수로 나선형 모양으로 감기며 일측 단부가 구조물의 고정부재에 고정 가능한 다수개의 나선형 부재와, 상기 다수개의 나선형 부재의 중심을 관통하여 그 중심에 위치하는 타측 단부에 각각 고정되어 상기 다수개의 나선형 부재를 일정 간격을 두고 서로 연결하는 구동부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 나선형 부재는 폴리머 재질인 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 나선형 부재는 외측과 내측에 1개의 일측 단부와 타측 단부를 갖는 원형 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 나선형 부재는 외측과 내측에 2개의 일측 단부와 타측 단부를 갖는 원형 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 나선형 부재는 외측과 내측에 1개의 일측 단부와 타측 단부를 갖는 사각형 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 나선형 부재는 타측 단부에서 일측 단부까지 균일한 모양의 단면 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 나선형 부재는 타측 단부에서 일측 단부쪽으로 갈수록 그 단면 형태가 커지는 가변적인 단면 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 나선형 부재는 원형, 타원형 또는 다각형의 단면 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 탄성 선형관절은 상기와 같이 구성된 탄성 선형관절 다수개를 병렬로 연결해 구성한 것을 특징으로 한다.

이 발명은 고정부재와 구동부재를 2개 이상의 나선형 부재를 이용해 공차가 없이 연결하되 나선형 부재의 탄성변형만을 이용함에 따라 종래의 선형관절과 다르게 마찰 없이 정밀한 병진운동이 가능한 장점이 있다.

또한, 이 발명은 나선형 부재의 회전수 조절과 단면적의 가변적 설계를 통해 선형관절의 변형량을 다양하게 조절할 수 있다. 특히, 나선형 부재를 폴리머 등과 같은 고탄성 재료를 이용해 탄성력을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 선형관절이 정밀하게 병진운동하면서 그 변형길이를 증가시킬 수 있는 구조적 장점이 있다.

또한, 이 발명은 나선형 부재의 변형량을 다양하게 가질 수 있어 마찰의 영향이 크게 작용하는 기계요소 혹은 나노/마이크로 크기의 소자의 구동에 응용할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 이 발명은 다양한 산업에 사용되는 기계장치의 정밀 구동 및 큰 변형량을 위한 선형관절에 활용이 가능하다. 특히, 마찰력과 공차가 없이 구동이 가능하므로, 마찰에 의한 기계장치의 손상을 방지하고, 마찰에 의한 영향이 지배적인 나노/마이크로 크기에서의 선형관절로 이용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 나선형 구조를 이용한 정밀 병진운동이 가능한 탄성 선형관절의 구성관계를 도시한 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 탄성 선형관절의 병진운동 전후 모습을 나타낸 개략도이고,
도 3은 도 1에 도시된 탄성 선형관절을 구성하는 다양한 회전수를 갖는 나선형 부재의 평면도이고,
도 4는 도 1에 도시된 탄성 선형관절을 구성하는 다양한 모양을 갖는 나선형 부재의 평면도이고,
도 5는 도 1에 도시된 나선형 부재의 다양한 단면 모양을 나타낸 개략도이며,
도 6은 이 발명의 다른 실시예에 따른 나선형 구조를 이용한 정밀 병진운동이 가능한 탄성 선형관절의 구성관계를 도시한 개략도이다.

아래에서, 이 발명에 따른 나선형 구조를 이용한 정밀 병진운동이 가능한 탄성 선형관절의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 나선형 구조를 이용한 정밀 병진운동이 가능한 탄성 선형관절의 구성관계를 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 탄성 선형관절(100)은 다수회의 회전수로 나선형 모양으로 감기며 일측 단부(111)가 구조물의 고정부재에 고정 가능한 2개의 나선형 부재(110)와, 2개의 나선형 부재(110)의 중심을 관통하여 그 중심에 위치하는 타측 단부(112)에 각각 고정되어 2개의 나선형 부재(110)를 일정 간격을 두고 서로 연결하는 구동부재(120)로 구성된다. 여기서, 일정 간격은 크로스-스프링을 구성하는 2개의 나선형 부재(110)가 구동부재(120)에 의해 탄성변형되더라도 서로 간에 간섭이 일어나지 않아 마찰이 발생하지 않는 거리를 의미한다.

나선형 부재(110)는 태엽 스프링과 같이 다수회의 회전수로 나선형 모양으로 감긴 얇은 판의 형태를 갖는다. 이러한 나선형 부재(110)는 다수회의 회전수로 감긴 나선형 모양으로 일체형으로 제작되기 때문에 공차 없이 구동이 가능하다. 한편, 나선형 부재(110)의 외측과 내측에는 일측 단부(111)와 타측 단부(112)가 각각 형성된다. 이때, 타측 단부(112)는 나선형 부재(110)의 중심에 위치한다. 이러한 나선형 부재(110)의 일측 단부(111)는 구조물의 고정부재에 고정하는 용도로 사용되고, 타측 단부(112)는 구동부재(120)를 통해 2개의 나선형 부재(110)를 서로 연결하는 용도로 사용된다. 따라서, 나선형 부재(110)는 구동부재(120)를 통해 외부에서 외력이 가해지면, 일측 단부(111)가 구조물의 고정부재에 고정된 상태에서 타측 단부(112)가 좌우방향으로 병진운동하면서 탄성변형된다. 즉, 이 실시예의 나선형 부재(110)는 구동부재(120)로부터 전달받은 힘을 통해 탄성변형이 발생하게 된다.

도 2는 도 1에 도시된 탄성 선형관절의 병진운동 전후 모습을 나타낸 개략도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 도 2의 (a)상태의 나선형 부재(110)가 연결된 구동부재(120)에 x축 방향으로 힘을 가하면, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이 나선형 부재(110)는 δ만큼의 변형량을 가지게 된다. 따라서, 이 실시예의 탄성 선형관절(100)은 δ만큼 x축 방향으로 병진운동이 발생하게 된다.

한편, 이 실시예의 나선형 부재(110)는 일측 단부(111)가 구조물의 고정부재에 고정되고, 타측 단부(112)가 구동부재(120)에 고정되는 구조를 가짐에 따라, 구동부재(120)의 진행방향(x축 방향)에 대해서만 탄성변형이 허용될 뿐, 나머지 방향(y축, z축 방향)에 대해서는 탄성변형이 제한된다. 따라서, 탄성 선형관절(100)은 구동부재(120)의 진행방향으로만 정밀하게 병진운동을 하게 된다.

도 3은 도 1에 도시된 탄성 선형관절을 구성하는 다양한 회전수를 갖는 나선형 부재의 평면도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 나선형 부재는 다양한 회전수를 갖는 나선형 모양으로 각각 구성할 수 있다. 여기서, 나선형 부재의 회전수가 많을수록 탄성변형이 가능한 구간이 길어지기 때문에, 회전수가 많은 나선형 부재를 이용하는 탄성 선형관절의 경우 더 많은 변형량을 가지는 병진운동이 가능하다. 한편, 나선형 부재는 변형량 조절이 가능한 폴리머 등과 같은 고탄성 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 구동부재 또한 나선형 부재와 동일한 폴리머 등과 같은 고탄성 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

도 4는 도 1에 도시된 탄성 선형관절을 구성하는 다양한 모양을 갖는 나선형 부재의 평면도이다. 도 4의 (a)는 도 1과 같이 1개씩의 일측 단부와 타측 단부를 갖는 원형의 나선형 부재를 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 2개씩의 일측 단부와 타측 단부를 갖는 원형의 나선형 부재를 나타낸 것이다. 도 4의 (b)의 나선형 부재는 2개 나선형 부재를 서로 겹치지 않게 나선형으로 감아 구성함에 따라 외측에 2개의 타측 단부를 갖는다. 따라서, 이러한 2개의 타측 단부를 구조물의 고정부재에 고정할 수 있기 때문에, 좀 더 안정적인 연결구조를 가질 수 있다.

도 4의 (c)는 정사각형 형태의 나선형 부재를 나타낸 것이고, 도 4의 (d)는 직사각형 형태의 나선형 부재를 나타낸 것이다. 도 4의 (d)와 같이 가로/세로의 높이가 다른 직사각형 형태로 나선형 부재를 구성할 경우에는 탄성 선형관절이 설치될 공간에 높이의 제약이 있는 경우에 효과적이다. 즉, 높이방향으로는 구조를 낮게 만들면서도 너비방향으로 구조를 길게 만들 수 있기 때문에, 충분한 길이의 변형량을 얻을 수 있는 장점이 있다. 도 4의 (e)는 탄성 선형관절의 사용 목적에 따라 나선형 부재의 모양을 삼각형 모양으로 구성한 것을 나타낸 것이다. 이렇듯, 이 실시예의 나선형 부재는 그 사용 목적에 따라 상기와 같은 형태를 비롯하여 타원 등 임의로 모양으로 구성할 수 있다.

도 5는 도 1에 도시된 나선형 부재의 다양한 단면 모양을 나타낸 개략도이다. 이 실시예의 나선형 부재는 도 5의 (a)와 같이 그 중심의 타측 단부에서 일측 단부까지 균일한 모양의 단면 형태를 가질 수도 있지만, 도 5의 (b)와 같이 가변적인 단면의 형태를 가지는 것 또한 가능하다. 이 실시예의 나선형 부재는 그 일측 단부가 구조물의 고정부재에 고정되기 때문에, 탄성변형시에 그 중심부에 비해 일측 단부에 응력이 집중되게 된다. 따라서, 나선형 부재의 중심인 타측 단부에서 일측 단부쪽으로 갈수록 그 단면 형태가 커지도록 설계해, 나선형 부재 전체에 걸쳐 균일한 응력이 분포하도록 구성할 수도 있다.

한편, 이 실시예의 나선형 부재는 도 5에 나타낸 바와 같이, 그 단면이 사각형(정사각형, 직사각형) 형태로 구성할 수도 있고, 필요에 따라서는 원형, 타원형 또는 다양한 다각형 형태로 구성할 수도 있다.

도 6은 이 발명의 다른 실시예에 따른 나선형 구조를 이용한 정밀 병진운동이 가능한 탄성 선형관절의 구성관계를 도시한 개략도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 탄성 선형관절(200)은 도 1과 같이 구성된 탄성 선형관절(100)을 병렬로 연결해 구성한 것이다. 즉, 도 6의 탄성 선형관절(200)은 도 1의 탄성 선형관절(100) 2개를 병렬로 연결해 구성한 것으로서, 도 6의 (a)는 탄성변형 전의 형태를 나타낸 것이고, 도 6의 (a)는 탄성변형 후의 형태를 나타낸 것이다. 도 6과 같이 2개 이상의 다수개의 탄성 선형관절(100)을 병렬로 연결할 경우에는 병진운동을 하면서 발생하는 불안정성을 서로 보완이 가능하므로, 이동 대상물체를 보다 안정적으로 병진운동시킬 수 있다.

이 발명의 탄성 선형관절은 구동부재와 고정부재 간의 마찰 없이 나선형 부재의 탄성변형만으로 힘이 전달되므로, 한정된 설치공간에 정적운동을 가능케 하고, 마찰저항을 줄이기 위한 특수 코팅이 필요치 않아 결과적으로 생산원가를 줄이는 효과가 있어 다양한 기계요소에 활용될 수 있다. 예를 들어, 자동차에서 좌석 시트와 등받이 연결 관절, 창문 개폐장치 등에 설치되어 한정된 공간에서 정적운동이 가능한 관절로 활용될 수 있다. 또한, 탄성변형에 의한 구동으로 정밀한 위치 제어가 가능해 기계식 시계의 구동 관절로도 활용이 가능하다.

상기와 같이 이 발명의 탄성 선형관절은 마찰 없이 구동이 가능한 관절로 활용이 가능하며, 정밀한 위치 제어를 통해 기계요소의 정밀 구동이 가능하다. 또한, 이 발명의 탄성 선형관절은 나선형 부재의 회전수 조절과 단면적의 가변적 설계를 통해 선형관절의 변형량을 다양하게 조절할 수가 있다.

이상에서 이 발명의 나선형 구조를 이용한 정밀 병진운동이 가능한 탄성 선형관절에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이다. 따라서, 이 발명이 상기에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그러한 변형예 또는 수정예들 또한 이 발명의 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

100 : 탄성 선형관절 110 : 나선형 부재
111 : 일측 단부 112 : 타측 단부
120 : 구동부재

Claims (9)

1. 다수회의 회전수로 나선형 모양으로 감기며 일측 단부가 구조물의 고정부재에 고정 가능한 다수개의 나선형 부재와,
   상기 다수개의 나선형 부재의 중심을 관통하여 그 중심에 위치하는 타측 단부에 각각 고정되어 상기 다수개의 나선형 부재를 일정 간격을 두고 서로 연결하는 구동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 선형관절.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 나선형 부재는 폴리머 재질인 것을 특징으로 하는 탄성 선형관절.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 나선형 부재는 외측과 내측에 1개의 일측 단부와 타측 단부를 갖는 원형 형태인 것을 특징으로 하는 탄성 선형관절.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 나선형 부재는 외측과 내측에 2개의 일측 단부와 타측 단부를 갖는 원형 형태인 것을 특징으로 하는 탄성 선형관절.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 나선형 부재는 외측과 내측에 1개의 일측 단부와 타측 단부를 갖는 사각형 형태인 것을 특징으로 하는 탄성 선형관절.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 나선형 부재는 타측 단부에서 일측 단부까지 균일한 모양의 단면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 탄성 선형관절.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 나선형 부재는 타측 단부에서 일측 단부쪽으로 갈수록 그 단면 형태가 커지는 가변적인 단면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 탄성 선형관절.
8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
   상기 나선형 부재는 원형, 타원형 또는 다각형의 단면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 탄성 선형관절.
9. 청구항 1에 기재된 탄성 선형관절 다수개를 병렬로 연결해 구성한 것을 특징으로 하는 탄성 선형관절.

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