KR101890112B1 - 축방향 및 반경방향 진동 제어가 가능한 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈 - Google Patents

Abstract

축방향 및 반경방향 진동 제어가 가능한 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 롤러 모듈은 원통의 양 외측면이 경사면을 가지도록 형성된 돌출부를 포함하는 롤러 본체, 상기 돌출부의 외주연을 감싸도록 구비된 자성체 코어링 및 상기 자성체 코어링 외주연에 구비되어 축방향 및 반경방향 진동을 동시에 제어하는 자기 베어링을 포함한다.

Description

축방향 및 반경방향 진동 제어가 가능한 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈{ROLLER MODULE HAVING MAGNETIC BEARING CONTROLLING AXIAL VIBRATION AND RADIAL VIBRATION}

본 발명은 롤러 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 축방향 및 반경방향 진동 제어가 가능한 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈에 관한 것이다.

인쇄 전자(printed electronics) 기술은 인쇄 기술을 활용하여 다양한 전자 부품을 생산하는 기술로서 잉크에 전하를 준 후 뿜어내어 피인쇄체에 부착시키는 방법을 이용함으로써, EMI Shield, RFID 태그 안테나, TSP용 배선 등의 전극배선, OLED 및 유기조명, 스마트 라벨(Smart label), 태그, 컬러 전자종이(Color e-paper) 등에 널리 이용되고 있다.

인쇄 전자 기술은 기존의 노광 및 에칭 기술에 비하여, 공정 단계가 적으며 생산력이 높을 뿐만 아니라 재료 손실이 적어 원가 절감이 가능하나, 인쇄 선폭이 수 내지 수십 마이크론(㎛)으로 균일성 및 정밀도 측면에서 불리한 문제점이 있다. 이에 인쇄 전자 공정의 균일성 및 정밀도를 향상시키기 위해서는 인쇄 전자 공정의 핵심 부품인 롤러를 정밀하고 균일하게 만들 필요성이 있다.

또한, 이와 같은 롤러는 인쇄 전자 롤프린팅 장치 뿐만 아니라 나노 임프린팅 장치 내지 핫엠보싱 장치 등 여러 장치에도 적용될 수 있으며, 이들은 모두 롤러의 정밀도 향상을 필수적으로 요구한다.

그러나, 일반적으로 기존 장비에 적용되는 프린팅 롤러는 기계적인 구름 베어링 즉, 볼 베어링 또는 롤러 베어링에 의해 지지되고 있다.

최근에는 기존의 기계적인 구름 베어링의 기계적 마찰 등에 의한 문제점을 해결하기 위하여 비접촉식의 자기 베어링에 관한 연구가 지속적으로 수행되고 있다. 이러한 자기 베어링을 이용한 롤러의 경우, 롤러의 회전시 구동 모터의 전자기력에 의하여 롤러가 좌우 또는 상하로 진동이 발생하게 되며 이러한 진동을 저감시키기 위하여 반경방향 자기 베어링 및 축방항 자기 베어링을 모두 적용하여야 이러한 진동을 제어할 수 있었다. 또한, 축방향 자기 베어링의 경우 축방향 칼라(thrust collar)를 필수적으로 구성하여야 하므로, 롤러의 축방향 길이가 증가하고 축방향 칼라가 설치되어 구성이 복잡하여 회전 속도 증가시 구조적 안정성이 저하되는 문제점이 있었다.

특허문헌 1: 대한민국 공개특허문헌 제10-2017-0027977호

본 발명의 실시예들은 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈에 있어서 롤러의 축방향 길이를 감소시키고, 자기 베어링, 갭 센서, 전류 드라이버 등의 구성을 최소화함과 동시에 롤러의 축방향 및 반경방향으로의 진동을 최소화할 수 있는 롤러 모듈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 롤러 모듈은 원통의 양 외측면이 경사면을 가지도록 형성된 돌출부를 포함하는 롤러 본체, 상기 돌출부의 외주연을 감싸도록 구비된 자성체 코어링 및 상기 자성체 코어링 외주연에 구비되어 축방향 및 반경방향 진동을 동시에 제어하는 자기 베어링을 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 돌출부는 원뿔대 형상을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기 베어링은 영구자석 및 전자석을 포함하는 하이브리드 자기 베어링일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 영구자석은 동일한 극이 상기 자성체 코어링에 대향할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기 베어링은, 원통의 제1 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 구비되어 축방향 및 반경방향 진동을 동시에 제어하는 제1 자기 베어링 및 원통의 제2 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 구비되어 축방향 및 반경방향 진동을 동시에 제어하는 제2 자기 베어링을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 돌출부의 경사면을 향하여 구비되어 상기 자기 베어링과 전기적으로 연결된 갭 센서를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 갭 센서는, 원통의 제1 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 제1 자기 베어링으로부터 이격되어 배치된 제1 갭 센서 및 원통의 제2 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 제2 자기 베어링으로부터 이격되어 배치된 제2 갭 센서를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 갭 센서와 연결된 갭 센서 앰프, 상기 갭 센서 앰프와 연결된 제어부 및 상기 제어부를 통해 계산된 구동 전류가 상기 자기 베어링으로 공급되도록 연결된 전류 드라이버를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈에 있어서 롤러의 축방향 길이를 감소시키고 자기 베어링의 개수를 최소화함으로써 구성의 단순화를 통한 롤러 모듈의 구조적 안정성을 확보할 수 있으며, 이러한 롤러 모듈을 활용하여 균일하고 정밀한 미세 패턴을 인쇄할 수 있다.

또한, 기존의 추가적인 자기 베어링 설치에 의하여 요구되는 코어링 재료, 자석 재료 뿐만 아니라 갭 센서 및 전류 드라이버의 구성을 최소화함으로써 롤러 모듈의 제조 비용을 최소화할 수 있다.

도 1은 종래의 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

도 1은 종래의 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 롤러 모듈은, 롤러 본체(10), 자성체 코어링(20), 반경방향(radial) 자기 베어링(30), 축방향(thrust) 자기 베어링(40) 및 갭 센서(50, 60)를 포함한다.

구체적으로 상기 롤러 모듈에서, 상기 자성체 코어링(20)은 상기 롤러 본체(10)의 양 단부를 감싸도록 구비되며, 상기 반경방향 자기 베어링(30)은 상기 자성체 코어링(20) 외주연에 구비되어 롤러 본체(10)의 반경방향 진동을 제어한다. 상기 축방향 자기 베어링(40)은 상기 롤러 본체(10)의 일 단부로부터 연장되어 구비되며 상기 롤러 본체(10)의 축방향 진동을 제어하며, 상기 갭 센서(50, 60)는 상기 롤러 본체(10)의 반경방향과 축방향으로 각각 구비된다.

반경방향 및 축방향의 진동을 저감시키기 위하여는 반경방향 자기 베어링 및 축방항 자기 베어링을 모두 적용하여야 좌우 및 상하 진동을 제어할 수 있다. 즉, 종래의 롤러 모듈은 축방향 자기 베어링을 필수적으로 적용하여야 하며, 축방향 자기 베어링의 경우 축방향 칼라(thrust collar)를 필수적으로 구성하여야 하므로, 롤러의 축방향 길이(l)가 증가하게 되며, 축방향 칼라가 설치되어 구성이 복잡하여 롤러 회전 속도 증가시 구조적 안정성이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 축방향 자기 베어링이 설치됨에 따라 이를 제어하기 위한 축방향으로 설치된 갭 센서(60) 및 자기 베어링으로 구동 전류를 공급하는 전류 드라이버(미도시)가 설치되어야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈을 설명하기 위한 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링을 포함하는 롤러 모듈의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 롤러 모듈은 롤러 본체(100), 자성체 코어링(200) 및 자기 베어링(300)을 포함한다.

상기 롤러 본체(100)는 일반적으로 인쇄 전자 롤프린팅 장치, 나노 임프린팅 장치, 핫엠보싱 장치 등에 사용되는 것 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 롤러 본체(100)는 원통의 양 외측면이 경사면을 가지도록 형성된 돌출부를 포함한다. 상기 돌출부는 상기 롤러 본체(100)의 외측으로 갈수록 롤러 본체 직경이 점차 작아지도록 경사면을 가지도록 형성된다. 상기 돌출부는 이에 한정되는 것은 아니나 예를 들어, 원뿔대 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성체 코어링(magnetic coring, 200)은 상기 돌출부의 외주연을 감싸도록 구비된다.

상기 자성체 코어링(200)은 상기 자기 베어링(300)에 의한 자속 경로를 형성하기 위해 상기 롤러 본체(100) 전방 및 후방 각각에 링 형상의 도체로 한쌍이 구비될 수 있다. 즉, 다시 말해, 상기 자성체 코어링(200)은 상기 롤러 본체(100) 양단부의 상기 돌출부 외주연 상에 각각 한쌍이 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 자성체 코어링(200)은 상기 돌출부 외주연에 밀착되도록 끼움 결합되거나, 열 박음되어 고정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기 베어링(300)은 상기 자성체 코어링 외주연에 구비되어 축방향 및 반경방향 진동을 동시에 제어한다.

일반적으로 기존의 자기 베어링은 롤러의 회전축 상부 및 하부에 각각 2축을 제어할 수 있는 한쌍의 반경방향 자기 베어링 및 롤러 회전축 방향의 1축을 제어할 수 있는 축방향 자기 베어링을 구성하여 롤러의 총 3축을 부상시킨다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 상기 자기 베어링(300)은 롤러의 회전축 상부 및 하부 각각의 상기 자성체 코어링 외주연 상에 2축을 제어할 수 있도록 한쌍으로 구비되며, 상기 롤러 본체(100)의 상기 돌출부 경사면에 대향하여 배치되어 상기 롤러 본체(100)의 3축 변위를 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 자기 베어링(300)은 롤러의 회전축 상부 및 하부에 각각 회전축에 기울어진 방향으로 구성되어 상기 롤러 본체의 3축을 부상시킬 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 자기 베어링(300)을 적용하는 경우, 기존에 필요로 하던 축방향 자기 베어링을 별도로 요구하지 않으며 이에 축방향 칼라가 제거되어 롤러 모듈의 구조적 안정성이 향상될 수 있다. 기존에 총 3개의 자기 베어링을 필요로 하던 구조에서 본 발명은 총 2개의 자기 베어링을 필요로 하는 구조로 변경됨에 따라, 자기 베어링 감소에 따른 원가 절감 및 부속 장치로서, 갭 센서 및 전류 드라이버의 감소로 역시 원가를 절감할 수 있다.

예를 들어, 상기 자기 베어링(300)은 영구자석 및 전자석을 포함하는 하이브리드 자기 베어링일 수 있다. 상기 영구자석은 NbFeB를 포함하는 희토류 영구자석일 수 있으며, 상기 전자석은 상기 영구자석을 코일 형태로 감싸고 있을 수 있다.

또한, 상기 영구자석은 동일한 극이 상기 자성체 코어링(200)에 대향하고 있을 수 있다.

예를 들어, 상기 자기 베어링(200)은 제1 자기 베어링 및 제2 자기 베어링을 포함한다. 상기 제1 자기 베어링은 원통의 제1 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 구비되어 축방향 및 반경방향 진동을 동시에 제어하며, 상기 제2 자기 베어링은 원통의 제2 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 구비되어 축방향 및 반경방향 진동을 동시에 제어한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 롤러 모듈은 상기 돌출부의 경사면을 향하여 구비되어 상기 자기 베어링(300)과 전기적으로 연결된 갭 센서(400)를 포함한다.

상기 갭 센서(400)는 상기 롤러 본체(100) 돌출부 경사면을 향하여 롤러 본체의 축방향 및 반경방향의 변위를 감지한다.

예를 들어, 상기 갭 센서(400)는 제1 갭 센서 및 제2 갭 센서를 포함한다. 상기 제1 갭 센서는 원통의 제1 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 제1 자기 베어링으로부터 이격되어 배치되며, 상기 제2 갭 센서는 원통의 제2 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 제2 자기 베어링으로부터 이격되어 배치된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 롤러 모듈은 갭 센서 앰프(500), 제어부(600) 및 전류 드라이버(700)를 포함한다.

상기 갭 센서 앰프(500)는 상기 갭 센서(400)와 연결된다. 상기 갭 센서(400)는 상기 롤러 본체(100)와의 간격 차이를 감지하여 상기 갭 센서 앰프(500)로 전기적 신호를 전달한다. 이때, 상기 갭 센서 앰프(500)는 상기 갭 센서(400)와 분리되어 상기 롤러 모듈의 외부에 배치될 수 있다.

상기 제어부(600)는 상기 갭 센서 앰프(500)와 연결된다. 상기 제어부(600)는 상기 갭 센서 앰프(500)로부터 전달받은 상기 롤러 본체(100)의 변위 정보를 기초로 상기 자기 베어링(300)에 제공되는 구동 전류를 계산한다.

상기 전류 드라이버(700)는 상기 제어부(600)를 통해 계산된 구동 전류가 상기 자기 베어링(300)으로 공급되도록 연결된다. 상기 전류 드라이버(700)는 상기 자기 베어링(300)과 전기적으로 연결되어 상기 계산된 구동 전류를 공급하여 상기 롤러 본체(100)의 진동을 최소화할 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100: 롤러 본체 200: 자성체 코어링
300: 자기 베어링 400: 갭 센서
500: 갭센서 엠프 600: 제어부
700: 전류 드라이버

Claims (8)

1. 원통의 양 외측면이 경사면을 가지도록 형성된 돌출부를 포함하는 롤러 본체;
   상기 돌출부의 외주연을 감싸도록 구비된 자성체 코어링;
   상기 자성체 코어링 외주연에 구비되어 축방향 및 반경방향 진동을 동시에 제어하는 자기 베어링; 및
   상기 자성체 코어링의 외주연에 상기 자기 베어링으로부터 이격되어 배치되고, 상기 돌출부의 경사면을 향하여 구비되어 상기 자기 베어링과 전기적으로 연결된 갭 센서를 포함하며,
   상기 자기 베어링은, 원통의 제1 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 구비되어 축방향 및 반경방향 진동을 동시에 제어하는 제1 자기 베어링; 및 원통의 제2 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 구비되어 축방향 및 반경방향 진동을 동시에 제어하는 제2 자기 베어링을 포함하고,
   상기 갭 센서는, 원통의 제1 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 제1 자기 베어링으로부터 이격되어 배치된 제1 갭 센서; 및 원통의 제2 외측면의 상기 자성체 코어링 외주연에 제2 자기 베어링으로부터 이격되어 배치된 제2 갭 센서를 포함하고,
   상기 자기 베어링 및 상기 갭 센서는 상기 돌출부의 경사면을 향하여 서로 이격되고, 서로 이웃하여 배치되는 롤러 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 돌출부는 원뿔대 형상을 가지는 롤러 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 자기 베어링은 영구자석 및 전자석을 포함하는 하이브리드 자기 베어링인 롤러 모듈.
4. 제3항에 있어서,
   상기 영구자석은 동일한 극이 상기 자성체 코어링에 대향하는 롤러 모듈.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 갭 센서와 연결된 갭 센서 앰프;
   상기 갭 센서 앰프와 연결된 제어부; 및
   상기 제어부를 통해 계산된 구동 전류가 상기 자기 베어링으로 공급되도록 연결된 전류 드라이버를 포함하는 롤러 모듈.
   

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