KR101736153B1 - 고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치 및 그 가이드 장치의 설계 방법 - Google Patents

고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치 및 그 가이드 장치의 설계 방법 Download PDF

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김학인
김병운
박병서
이영철
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 일단은 구동부에 결합되고 타단은 하부 블록에 결합되어 상기 구동부에 작용하는 힘에 의한 3방향의 병진운동과 3방향의 회전운동 중 2방향의 회전운동은 허용하고, 3방향의 병진운동과 1방향의 회전운동은 상대적으로 구속시키는 힌지유닛을 포함하는 고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치로서, 본 발명은 가이드 장치는 3차원 공간 상에서 요구되는 임의의 위치에 회전중심을 구현하여 요구되는 팁-틸트 방향의 고속, 고정밀 구동을 위한 가이드 장치이다.

Description

고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치 및 그 가이드 장치의 설계 방법{GUIDE APPARATUS FOR HIGH SPEED AND PRECISE DRIVING AND DESIGN METHOD OF THEREOF}
본 발명은 고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 가이드 장치는 특히 고속조종거울(Fast steering mirror)에 적용될 수 있다.
3차원 공간 상에서 임의의 외력이 부하단에 인가될 경우, 의도된 방향으로는 운동을 허용하고, 의도되지 않은 방향으로는 운동을 구속하는 역할을 하는 것이 가이드 메커니즘이다.
기존의 회전형 가이드 메커니즘에 주로 사용된 부품은 조인트(joint)이다.
하지만, 조인트는 고정부와 회전부가 별개의 독립된 몸체가 조립된 형태이기 때문에 기계 부품 사이에 유격 또는 백래쉬(backlash)가 존재하게 된다.
또한, 운동면과 고정면 사이의 마찰력이 발생하며, 반복 구동에 따른 마모 등의 문제점들 때문에 고정밀용으로 부적합하다.
이러한 조인트의 단점을 개선하기 위한 가이드 메커니즘으로 도 1과 같은 여러 형태의 유연형 힌지(Flexure Hinge)를 직력 또는 병렬로 연결함으로써 구현하고 있다.
유연형 힌지는 두 강체 사이에 연결되어 힌지의 탄성변형에 의해 고정된 강체와 자유상태 강체의 상대운동(relative motion)을 허용하는 유연형 연결기구로, 재료의 탄성변형 영역에서 구동되어야 하므로 구동 변위가 제한적이지만, 입력 힘과 출력 변형량과의 관계가 선형적이며 힌지에 의한 정밀도는 이론적으로 무한하다는 장점이 있다.
하지만, 기존의 연구 내용은 유연형 힌지를 이용하여 3차원 공간에서 팁-틸트 가이드가 아닌 평면상에서 회전 또는 병진 방향의 가이드 역할을 하는 가이드 메커니즘이 대부분이었다.
따라서, 3차원 공간 상에서 요구되는 임의의 위치에 회전중심을 구현하여 요구되는 팁-틸트 구동은 불가하였다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 3차원 공간 상에서 요구되는 임의의 위치에 회전중심을 구현하여 요구되는 팁-틸트 방향의 고속, 고정밀 구동을 위한 가이드 장치와 이의 설계 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치는, 일단은 구동부에 결합되고 타단은 하부 블록에 결합되어 상기 구동부에 작용하는 힘에 의한 3방향의 병진운동과 3방향의 회전운동 중 2방향의 회전운동은 허용하고, 3방향의 병진운동과 1방향의 회전운동은 상대적으로 구속시키는 힌지유닛을 포함한다.
그리고, 상기 구동부의 하면의 중심에 결합되는 축형 유연체를 더 포함할 수 있다.
상기 힌지유닛은 상기 구동부에 연결되는 이중노치힌지(Double Right-Circular Notch Hinge), 상기 이중노치힌지에 연결되는 중간블록, 상기 중간블록과 상기 하부 블록 간에 연결되는 판스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 판스프링은 상기 구동부가 이루는 평면에 해당하는 2방향의 병진운동방향에 대해 높은 강성을 가지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 힌지유닛은 대칭적으로 둘 이상 마련되는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 힌지유닛은 4개인 것이 보다 바람직하다.
상기의 이중노치힌지는 상기 구동부의 회전운동 중 상기 구동부가 이루는 평면에 대해 수직한 축을 기준으로 한 회전 이외의 상기 구동부가 이루는 평면 상의 축에 대한 회전을 허용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 힌지유닛이 일정한 기울기를 가지고 상기 구동부에 결합되며, 상기 힌지유닛의 기울기 방향과 상기 축형 유연체의 길이 방향의 교차점은 상기 구동부 내에 형성되며, 상기 교차점이 상기 구동부의 회전 중심이 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 관점에 의한 고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치의 설계 방법은, 일단은 구동부에 결합되고 타단은 하부 블록에 결합되는 힌지유닛을 포함하는 고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치가 상기 구동부에 작용하는 3방향의 병진운동과, 상기 구동부가 이루는 평면에 대해 수직한 축을 기준으로 한 회전 방향에 대해 최대의 강성을 갖도록 설계하여, 상기 가이드 장치가 상기 구동부의 한 방향의 회전운동과 3방향의 병진운동은 구속하고, 두 방향의 회전운동을 허용할 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제시하는 팁-틸트 가이드 메커니즘의 구조는 광학미러 직경의 크기에 상관없이 유연하게 적용될 수 있는 구조이므로, 직경이 큰 광학미러에 유효하게 적용되어 요구되는 팁 및 틸트 운동을 가이드 할 수 있다.
본 발명에서 제시하는 팁-틸트 가이드 메커니즘의 구조는 시스템에서 요구되는 특성에 따라 기구부 설계 단계에서 메커니즘은 동일하게 유지하면서 구동부의 회전중심만을 유연하게 변경 시킬 수 있다.
즉, 회전중심과 광학미러 표면 간의 거리가 멀 경우, 회전 구동과정에서 광학미러를 통해 입사된 표적에 대한 영상정보가 흐릿하게 보이는 성능저하를 개선하기 위하여 광학미러 표면에 구동부의 회전중심을 위치시킬 수 있다.
또한 빠른 동작 특성이 요구되는 적용처에서 구동부의 동적 안정성 및 제어성능 개선을 위해 구동부의 무게중심에 회전중심을 위치시킬 수 있다.
본 발명에서 제시하는 팁-틸트 가이드 메커니즘 및 힌지 유닛은 가능한 범위에서 일체형으로 제작되어 조립되며, 백래쉬, 마찰력 및 마모가 없는 유연형 힌지 기반의 메커니즘이므로 이론적으로 무한대의 위치정밀도를 가지고 구동될 수 있으므로 정밀한 구동성능을 보장할 수 있다.
본 발명에서 제시하는 팁-틸트 가이드 메커니즘의 이론모델은 가이드 메커니즘의 정적 및 동적 거동을 정확하게 예측한다. 따라서 일반적인 유한요소해석을 이용하여 설계 시 최적 설계 안을 도출하는데 많은 시간, 인력 및 장비가 소요되는 단점을 개선하여 신속하게 최적 설계안을 도출하는데 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 유연형 힌지에 대해 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 가이드 장치를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 가이드 장치의 일부 동작을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 가이드 장치의 일 구성인 이중노치힌지를 도시한 것이며, 이에 대한 좌표축 정의를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 가이드 메커니즘의 좌표계 정의와 구속조건을 나타낸 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명에 의한 가이드 장치를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명에 의한 가이드 장치의 일부 동작을 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 가이드 장치의 일 구성인 이중노치힌지를 도시한 것이며, 이에 대한 좌표축 정의를 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명에 의한 가이드 메커니즘의 좌표계 정의와 구속조건을 나타낸 것이다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치 및 그 가이드 장치의 설계 방법을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
새롭게 제안되는 팁-틸트 가이드 메커니즘은 도2와 같이 4개의 힌지유닛과 한 개의 축형 유연체(Axial Flexure)로 구성된다. 도2에 도시된 원통 형상의 부하단(Payload)은 일 예를 든 형상으로서 적용처에 따라 부하단의 형상은 실질적인 형상으로 적용될 수 있다.
각 힌지유닛은 이중노치힌지(Double right-circular notch hinge), 중간 블록(Center Block) 및 판 스프링(Leaf-Spring)으로 구성되며, 상부의 부하단 및 하부의 바닥면과 조립을 위해 상/하부 블록(Upper block, Bottom block)이 추가된다.
도2에서 바닥면의 도시는 생략하였다.
본 가이드 메커니즘에서는 실질적인 변형이 발생되는 힌지유닛과 축형 유연체의 낮은 강성(Stiffness) 대비 준 강체로 고려될 수 있는 부하단과 상부블록(upper Block)을 포함해서 구동부(Moving Body)로 정의한다.
또한 구동부의 무게중심점을 기준으로 3축 회전방향의 운동을 각각 팁(Tip), 틸트(Tilt) 및 요(Yaw) 운동으로 정의하고, 나머지 3축 병진방향의 운동을 각각 평면(Plane) 및 피스톤(Piston) 운동으로 정의한다.
부하단에 1축 회전 모멘트가 인가 될 경우 발생되는 팁 모션의 회전거동을 도3에서 나타내었다. 도3에서와 같이 마주보고 있는 2개의 힌지유닛과 축형 유연체의 연장선이 교차되는 지점이 순간적인 회전중심(Virtual Pivot)이 되는데, 이는 외력 인가 시 구동부가 회전하는 중심이 되므로 설계에서 중요한 고려 요소가 된다. 또한 초기 설계단계에서 각 힌지유닛의 기울기를 조절함으로써 회전중심을 의도된 위치로 가변 시킬 수 있는 구조가 본 팁-틸트 가이드 메커니즘의 중요한 특징 중 하나이다.
틸트 모션 역시 상기의 팁 모션과 동일한 형태로 거동이 발생된다. 이러한 팁 및 틸트 운동은 이중 원형 노치 힌지와 판 스프링이 각각 1자유도의 회전운동을 허용함으로써 4절 링크구조와 동일한 메커니즘으로 팁-틸트 가이드 메커니즘의 회전운동을 구현하게 된다.
일반적인 경우 팁 모션과 틸트 모션이 동시에 발생되게 되는데, 본 팁-틸트 가이드 메커니즘과 같이 대칭적 구조에서 팁과 틸트 모션을 동시에 허용하도록 하기 위하여 이중 노치힌지를 고안하여 구현한 것이다.
따라서, 판 스프링은 1축의 회전 운동만 구현이 필요하나, 팁 모션과 틸트 모션의 동시 운동에 따른 커플링 영향을 허용할 수 있는 2축 회전 운동이 가능한 힌지 적용이 필요하다. 결국, 상부 유연형 힌지는 2축 회전 운동이 가능한 임의의 형태로 구현되어야 한다.
반면, 요 모션은 판 스프링의 높은 강성으로 해당방향의 운동을 구속하게 된다.
또한 나머지 3축의 병진방향의 운동 역시 본 팁-틸트 가이드 메커니즘에 의해 효과적으로 구속이 되는데, 이는 팁-틸트 가이드 메커니즘에서 힌지 메커니즘들이 대칭적이며 병렬로 연결되어 있는 구조에 기인한다.
본 가이드 메커니즘이 실제 고속조종거울에 적용될 경우, 구동기는 구동부의 좌우에서 피스톤 방향으로 구동력을 대칭적으로 발생시킴으로써 구동부의 팁-틸트 방향의 운동을 발생시키게 된다. 이때, 구동력 발생방향과 운동방향이 직교하는 요 방향의 공진모드는 가진이 되지 않으나, 운동방향이 구동력 발생방향과 일치하는 피스톤 방향의 공진모드는 제어 중에 가진될 우려가 있다. 따라서 이를 회피하기 위하여 피스톤 방향의 강성은 최대한 높게 설계하여 피스톤 방향의 공진주파수가 관심 있는 제어대역폭 대비 무시할 수 있을 정도의 높은 영역에 위치하여야 한다. 도3과 같은 축형 유연체를 설계에 반영함으로써 다른 운동에는 영향을 최소화 하면서 피스톤 방향의 강성을 증대시켜 운동을 구속시키게 된다.
본 발명은 상기의 기능을 구현하기 위해 도4와 같은 이중 원형 노치 힌지의 형태와 이론적인 강성모델을 고안하여 적용한다.
일반적으로 유연형 힌지의 거동은 입력 하중과 출력 변위와의 관계로 규정되는 6 자유도의 컴플라이언스 행렬 또는 이의 역수인 강성 행렬로 정의된다.
본 발명에서 새롭게 고안된 이중 원형 노치 힌지의 강성모델을 결정하기 위해 적분을 이용하여 컴플라이언스 행렬을 계산한다.
힌지의 형상과 좌표계는 도4와 같으며, 본 강성모델 계산에서는 벤딩, 축하중, 비틀림 및 전단하중이 고려되었다.
[수학식 1]
Figure 112016127866999-pat00001
[수학식 2]
Figure 112016127866999-pat00002
[수학식 3]
Figure 112016127866999-pat00003
[수학식 4]
Figure 112016127866999-pat00004
[수학식 5]
Figure 112016127866999-pat00005
[수학식 6]
Figure 112016127866999-pat00006
[수학식 7]
Figure 112016127866999-pat00007
도4에서 x,y,z는 힌지의 로컬좌표계 축이고, 계산의 용이성을 위하여 극좌표계로 변환하여 각 변수들을 정의하였다.
h는 임의 위치에서 힌지 두께, tdn은 힌지의 최소 두께, R은 힌지의 반경길이, β는 힌지의 최소두께와 반경길이의 형상 비, A(θ)는 힌지의 단면넓이, E는 탄성계수, G는 전단계수, Ix, Iy, Iz는 각각 해당좌표축 기준 관성모멘트량, Jx는 x축 기준 단면적 극관성모멘트, Fx, Fy, Fz 와 Mx, My, Mz는 각각 해당축 기준 외부 힘과 외부 모멘트를 나타내고 있다. 또한 Δx, Δy, Δz 와 Δθx, Δθy, Δθz는 초기위치 대비 각 축 방향의 병진방향 및 회전방향 변형량을 나타내고 있다.
수학식 5 내지 수학식 7에서 새롭게 정의되는 I1에서 I3 요소는 β 값의 함수로 표현되는 적분치들이다.
상기의 결과를 이용하여 유연형 힌지의 부하단에 6 자유도의 임의의 힘과 모멘트가 작용할 때 최종 변형량을 각 축별로 계산하면 아래 식들과 같다.
[수학식 8]
Figure 112016127866999-pat00008
[수학식 9]
Figure 112016127866999-pat00009
[수학식 10]
Figure 112016127866999-pat00010
[수학식 11]
Figure 112016127866999-pat00011
[수학식 12]
Figure 112016127866999-pat00012
[수학식 13]
Figure 112016127866999-pat00013
따라서 외부 하중 하에서 자유단의 변형량은 아래 식과 같이 컴플라이언스 행렬을 통해 결정되게 된다.
[수학식 14]
Figure 112016127866999-pat00014
여기서 작용력은
Figure 112016127866999-pat00015
로 정의하며, 발생되는 변형량은
Figure 112016127866999-pat00016
로 정의하며, 컴플라이언스 행렬은 아래와 같다.
[수학식 15]
Figure 112016127866999-pat00017
최종적으로 강성행렬은 수학식 15의 컴플라이언스 행렬의 역수인 아래 수학식 16과 같이 구할 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112016127866999-pat00018
도1의 (a)와 (b)에 도시한 일반적으로 사용되는 유연형 힌지에 대해 컴플라이언스 요소들을 표 1에 정리하였다.
Leaf-spring Axial flexure
Figure 112016127866999-pat00019
Figure 112016127866999-pat00020
Figure 112016127866999-pat00021
Figure 112016127866999-pat00022
Figure 112016127866999-pat00023
Figure 112016127866999-pat00024
Figure 112016127866999-pat00025
Figure 112016127866999-pat00026
Figure 112016127866999-pat00027
Figure 112016127866999-pat00028
Figure 112016127866999-pat00029
Figure 112016127866999-pat00030
Figure 112016127866999-pat00031
Figure 112016127866999-pat00032
Figure 112016127866999-pat00033
Figure 112016127866999-pat00034
Figure 112016127866999-pat00035
Figure 112016127866999-pat00036
Figure 112016127866999-pat00037
Figure 112016127866999-pat00038
Figure 112016127866999-pat00039
Figure 112016127866999-pat00040
Figure 112016127866999-pat00041
Figure 112016127866999-pat00042
Figure 112016127866999-pat00043
Figure 112016127866999-pat00044
Figure 112016127866999-pat00045
Figure 112016127866999-pat00046
Figure 112016127866999-pat00047
Figure 112016127866999-pat00048
다음으로, 본 발명은 상기의 메커니즘으로 구현된 가이드 메커니즘의 정적 및 동적 거동을 예측하기 위하여, 복수의 강체들과 유연 힌지들로 연결된 가이드 메커니즘의 위치 및 운동에너지를 유도하고 Lagrange’s equation을 이용한 가이드 메커니즘의 운동방정식을 포함한다.
이를 위해 도 5는 좌표계 정의와 구속조건을 나타내고 있다. 도5에서 지면의 위/아래에 위치한 힌지유닛은 도시를 생략하였으며, 도시된 힌지유닛과 동일한 방법으로 구성되어 있다.
(X,Y,Z)는 글로벌 좌표계, (xi, yi, zi)는 강체 i의 무게중심 기준의 로컬 좌표계, 마지막으로 (xⓚ,yⓚ,zⓚ)는 유연형 힌지 k의 로컬 좌표계를 나타내고 있다.
여기서 강체 i의 로컬좌표계는 계산의 단순화를 위하여 글로벌 좌표계와 동일한 방향으로 설정되었으며, 유연형 힌지의 좌표계는 전 장에서 설정된 로컬 좌표계를 유지하도록 한다. 또한 힌지유닛의 x 축은 글로벌 좌표계 X축과 φ만큼 기울어져서 구동부의 무게중심을 향하도록 설치되어 있다.
위치에너지는 유연 힌지 k 양단에 위치한 강체 i와 j가 임의의 외력에 의해 병진 및 회전방향의 상대운동이 발생될 경우 유연 힌지의 탄성변형에 대한 복원력으로 계산된다. 이때, 위치에너지는 글로벌 좌표계 기준으로 정의되므로 유연 힌지의 좌표계를 글로벌 좌표계로 변환하는 과정이 필요하다. 최종적으로 도출된 위치에너지는 아래 수학식과 같다.
[수학식 17]
Figure 112016127866999-pat00049
수학식 17에서 V는 위치에너지, Ns는 유연 힌지의 개수, pi는 유연 힌지 k와 연결되는 강체 i 내부의 점,
Figure 112016127866999-pat00050
는 글로벌 좌표계 기준 강체 i원점의 병진 및 회전방향 변형량으로 일반화된 변위벡터,
Figure 112016127866999-pat00051
는 강체 i의 로컬좌표계 기준으로 유연 힌지 k와 연결되는 pi 지점의 위치정보를 포함하는 상수 행렬,
Figure 112016127866999-pat00052
는 로컬 좌표계 기준으로 유도된 유연 힌지 k의 스프링 상수행렬, Rk는 로컬 좌표계 기준 스프링 상수행렬을 글로벌 좌표계로 변환하는 변환행렬을 의미한다.
다음으로 강체 i의 운동에너지는 무게중심의 병진방향 및 회전방향의 운동에 의한 에너지의 합으로 결정되며 수학식 18과 같다.
[수학식 18]
Figure 112016127866999-pat00053
수학식 18에서는 운동하는 강체의 수, Mi는 강체 i의 질량행렬로
Figure 112016127866999-pat00054
이다. 여기서 mi는 강체i의 질량,
Figure 112016127866999-pat00055
는 각각 강체 i의 로컬 좌표계 x,y,z축 기준의 관성모멘트이다. 따라서 Lagrange’s equation을 이용하여 가이드 메커니즘에 대한 운동방정식을 유도하면 아래 수학식과 같다.
[수학식 19]
Figure 112016127866999-pat00056
[수학식 20]
Figure 112016127866999-pat00057
[수학식 21]
Figure 112016127866999-pat00058
[수학식 22]
Figure 112016127866999-pat00059
[수학식 23]
Figure 112016127866999-pat00060
[수학식 24]
Figure 112016127866999-pat00061
상기의 수학식 20~24에서 Nb는 강체의 수,
Figure 112016127866999-pat00062
는 강체 i와 연결되는 유연 힌지의 수를 나타내며,
Figure 112016127866999-pat00063
는 글로벌 좌표계로 변환된 유연 힌지 k의 강성행렬이다. 본 발명에서 제안하는 가이드 메커니즘 형상에서, Nb=5이고, Ns=9이고, 각 강체는 6 자유도를 가지므로 x벡터와 F벡터는 (30 × 1)의 크기를 가지며, 시스템 질량행렬 M과 시스템 강성행렬 K는 (30 × 30)의 크기를 갖는다.
유도된 강성행렬은 수학식 25와 같이 정리된다.
[수학식 25]
Figure 112016127866999-pat00064
수학식 19에서 동적 거동이 무시되고 정적 거동만 고려하면, 시스템 행렬로부터 임의의 입력 힘 벡터에 의한 모든 강체의 정적 변형량을 아래 수학식 26으로부터 계산될 수 있다.
[수학식 26]
Figure 112016127866999-pat00065
또한 수학식 19에서 시스템 질량행렬과 시스템 강성행렬을 이용하여 아래 수학식 27의 고유해 문제를 풀어서 고유해, 즉 시스템의 모든 고유주파수를 계산할 수가 있다.
[수학식 27]
Figure 112016127866999-pat00066
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 일단은 구동부에 결합되고 타단은 하부 블록에 결합되어 상기 구동부에 작용하는 힘에 의한 3방향의 병진운동과 3방향의 회전운동 중 2방향의 회전운동은 허용하고, 3방향의 병진운동과 1방향의 회전운동은 상대적으로 구속시키는 힌지유닛을 포함하는,
    고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부의 하면의 중심에 결합되는 축형 유연체를 더 포함하는,
    고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 힌지유닛은,
    상기 구동부에 연결되는 이중노치힌지(Double Right-Circular Notch Hinge);
    상기 이중노치힌지에 연결되는 중간블록;
    상기 중간블록과 상기 하부 블록 간에 연결되는 판스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 판스프링은 상기 구동부가 이루는 평면에 해당하는 2방향의 병진운동방향에 대해 높은 강성을 가지는 것을 특징으로 하는,
    고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 힌지유닛은 대칭적으로 둘 이상 마련되는 것을 특징으로 하는,
    고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 힌지유닛은 4개인 것으로 특징으로 하는,
    고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 이중노치힌지는 상기 구동부의 회전운동 중 상기 구동부가 이루는 평면에 대해 수직한 축을 기준으로 한 회전 이외의 상기 구동부가 이루는 평면 상의 축에 대한 회전을 허용하는 것을 특징으로 하는,
    고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 힌지유닛이 일정한 기울기를 가지고 상기 구동부에 결합되며,
    상기 힌지유닛의 기울기 방향과 상기 축형 유연체의 길이 방향의 교차점은 상기 구동부 내에 형성되며, 상기 교차점이 상기 구동부의 회전 중심이 되는 것을 특징으로 하는,
    고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치.
  9. 일단은 구동부에 결합되고 타단은 하부 블록에 결합되는 힌지유닛을 포함하는 고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치가 상기 구동부에 작용하는 3방향의 병진운동과, 상기 구동부가 이루는 평면에 대해 수직한 축을 기준으로 한 회전 방향에 대해 최대의 강성을 갖도록 설계하여, 상기 가이드 장치가 상기 구동부의 한 방향의 회전운동과 3방향의 병진운동은 구속하고, 두 방향의 회전운동을 허용할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는,
    고속 정밀 구동을 위한 가이드 장치의 설계 방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007310274A (ja) 2006-05-22 2007-11-29 Tohoku Univ マイクロミラーデバイス及びマイクロミラーデバイスを使用した装置
JP2011035102A (ja) 2009-07-31 2011-02-17 Canon Inc 光学素子の保持装置、それを用いた露光装置、及びデバイスの製造方法
JP5558390B2 (ja) 2011-03-04 2014-07-23 三菱電機株式会社 鏡支持機構

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3409520B2 (ja) * 1995-08-01 2003-05-26 日産自動車株式会社 角速度センサ
US7598688B2 (en) * 2006-06-22 2009-10-06 Orbotech Ltd Tilting device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007310274A (ja) 2006-05-22 2007-11-29 Tohoku Univ マイクロミラーデバイス及びマイクロミラーデバイスを使用した装置
JP2011035102A (ja) 2009-07-31 2011-02-17 Canon Inc 光学素子の保持装置、それを用いた露光装置、及びデバイスの製造方法
JP5558390B2 (ja) 2011-03-04 2014-07-23 三菱電機株式会社 鏡支持機構

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