KR102391658B1 - 영강성을 활용한 중력보상 보이스코일모터 - Google Patents

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Abstract

기존의 중력보상 액추에이터는 마그네틱요크 지지부의 역 중력을 만들어 주기 위하여 탄성부를 구비하고 있으나, 자석의 특성상 거리가 가까워지면 자석에 의한 인력 또는 척력이 비선형적으로 증가하여 중력보상 액추에이터의 보상 구간이 -1mm에서 +1mm 정도로 작은 문제가 있다. 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여, 중력보상을 위한 자석을 모터스테이터의 내부 중심 상부와 하부 및 측면에 구비하여 자석의 구조에 의하여 중력보상 구동력을 발생하는 중력보상 구동부를 제공한다.
상기와 같이 모터스테이터의 상하에 구비된 한 쌍의 영구자석에 의하여 자석의 형성하는 선형구간이 2 배 이상 늘어나 가동범위가 넓은 중력보상 구동부를 제공하는 효과가 있다.

Description

영강성을 활용한 중력보상 보이스코일모터{Actuator with gravity compensation}
정밀 스테이지에서 발열을 최소화하고 전체적인 장치를 컴팩트하게 만들기 위해 외부의 에너지입력 없이 하중 보상력을 발생하는 중력보상 보이스 코일 모터에 관한 기술이다.
본 발명 이전의 선행기술로는 제 1구성유닛 및 제 2 구성유닛을 구비하며, 하나의 구성유닛은 정지되어 있고, 두 개의 구성유닛 중에 다른 하나의 구성유닛은 수직 방향(Z)으로 움직일 수 있다. 제 1 구성유닛은 코일을 갖춘 제 1 마그네트 요크를 구비하고, 제 2 구성유닛은 코일 쪽을 향하여 정렬된 적어도 하나의 마그네트를 갖춘 제 2 마그네트 요크를 구비한다. 상기 적어도 하나의 마그네트 영역에서 제 1 마그네트 요크와 제 2 마그네트 요크의 수평 간격이 수직 방향(Z)으로 변동될
수 있음으로써, 결과적으로 액추에이터의 작업 영역에서 제 1 구성유닛과 제 2 구성유닛 사이에서는 자기 저항력이 작용하게 되고, 이 자기 저항력은 상기 두 개 구성유닛 중에 이동 구성유닛이 중력을 저지하는 기술이 개시되어 있다.
또 다른 선행기술로는 진동 절연기가 제공되며, 이 진동 절연기는 베이스 구조물, 로드 구조물 및 베이스 구조물과 로드 구조물의 대향하고 실질적으로 평행한 벽들에 의해 형성되는 하나 이상의 수직 공기 갭을 포함한다. 대향하는 벽들은 영구 자석들의 각각의 어레이들에 의해 적어도 부분적으로 커버되고, 어레이들 내의 이웃하는 자석들은 교번하는 자화 방향들을 갖고, 어레이들 내의 영구 자석들의 배치는 로드 구조물 상의 중력의 힘이 로드 구조물 상의 베이스 구조물의 네트 자기력에 의해 보상되는 기술이 개시되어 있다.
등록특허공보 10-1900955 등록특허공보 10-1932999
기존의 중력보상 액추에이터는 마그네틱요크 지지부의 역 중력을 만들어 주기 위하여 탄성부를 구비하고 있으나, 자석의 특성상 거리가 가까워지면 자석에 의한 인력 또는 척력이 비선형적으로 증가하여 중력보상 액추에이터의 보상 구간이 -1mm에서 +1mm 정도로 작은 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여,
스테이지(510); 및 상기 스테이지와 상대적인 위치가 고정된 모터 스테이터(200, 210); 및 상기 스테이지와 1곳 이상의 지점에서 스프링으로 연결되는 지지축(320); 및 상기 지지축과 연결되는 상기 중력보상 구동부의 아마추어(300); 및 상기 아마추어의 원주를 따라 감겨진 아마추어 코일(310); 및 상기 모터 스테이터 내부 원주에 설치된 측면자석(410); 및 상기 모터 스테이터 상부 중심 안쪽에 구비되는 상부자석(400); 및 상기 모터 스테이터 하부 중심 안쪽에 구비되는 하부자석(420);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 아마추어는 원반 형태로 중심에 상기 지지축이 고정될 수 있도록 중심이 형성되며, 중심에서 상기 코일이 감기는 영역 전까지 점차로 두꺼워지는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 상부자석 및 하부자석은 상기 아마추어에 가하는 힘이 아마추어의 중심부에서 작아질 수 있도록 상기 상부자석 및 하부자석과 상기 아마추어와 거리가 멀어지는 형태인 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 측면자석은 상기 아마추어의 수평 중심보다 위쪽에 설치되어 중력의 반대방향으로 상기 아마추어에 일정한 힘을 발생하도록 하는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 측면자석은 상기 아마추어의 수평 중심보다 위쪽에 설치되어 중력보상력을 맞추도록 함으로써 상기 아마추어 코일에 전류가 흘러 상기 아마추어가 아래쪽으로 내려가는 경우 상기 측면자석의 일부만을 상기 아마추어 코일이 이용하여 중력의 반대방향 힘이 감소하고, 아마추어의 변위에 의해 스프링의 발생력은 증가하여 알짜힘을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 상부자석과 하부자석에는 원형의 리세스를 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 상부자석과 하부자석의 리세스는 자석의 중심 안쪽이 상기 아마추어와 거리가 멀어질 수 있도록 원형으로 좁아지는 테이퍼 형상인 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 지지축에는 변위를 측정하기 위한 엔코더가 구비된 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 이동 프레임를 지지하는 상기 스프링의 하부에는 로드셀이 연결되어 상기 이동 프레임이 지지하는 하중을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
삭제
또한, 모터스테이터; 및
상기 모터스테이터 중심의 상부와 하부를 관통하여 중력보상력을 전달하는 지지축; 및 상기 지지축의 중앙에 연결되어 중력보상력을 발생하는 아마추어; 및
상기 아마추어에 자력을 전달하기위하여 상기 모터스테이터의 상하측 안쪽 중심부에 상기 지지축이 관통하는 외측에 구비되는 상부자석과 하부자석; 및
상기 모터스테이터의 내측 측면에 구비되어, 중력보상력을 발생하는 측면자석을 구비한 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 측면자석은 상기 모터스테이터의 내측면의 수직길이 방향 중앙에서 위쪽으로 구비되는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 아마추어는 중심으로 갈수록 두께가 얇아지는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 아마추어는 외주면의 두께를 아마추어 최대 두께의 1/10 ~ 9/10으로 얇게 구성한 중력보상력조절디스크를 구비하는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 아마추어의 상기 중력보상력조절디스크 상하로 코일을 구비한 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
본 발명은 상기와 같은 상하에 구비된 한 쌍의 영구자석과 중앙부가 테두리와 비교하여 얇게 구성하여 일정한 중력보상 추력을 만들어주는 구간을 2 배 이상 늘려줌으로써 가동범위가 넓은 중력보상 구동부를 제공하는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 중력보상 구동부의 단면도 이다.
도2는 본 발명의 중력보상 구동부의 단순화도와 중력보상 구동부가 구비된 스테이지를 동시에 보여주고 있다.
도3은 본 발명의 중력보상 원리를 자석의 힘과 스프링의 힘을 설명하고 있다.
도4는 본 발명의 측면자석이 아마추어의 얇은 돌출부를 당기는 힘으로 중력보상력을 발생하는 설명도면이다.
도5는 본 발명의 중력보상 가동범위를 넓게 하기 위하여 아마추어의 중심부를 얇게 구성함으로써 상하부 자석과 아마추어가 가까워지는 경우 자석의 힘이 비선형적으로 커지는 구간을 늦추는 구성을 설명하는 설명도이다.
도6은 본 발명의 중력보상 가동범위를 넓게 하기 위하여 아마추어의 중심부를 얇게 구성함으로써 상하부 자석과 아마추어의 위치에 따른 자력의 변화를 도시하고 있다.
도7은 기존의 중력보상 모터의 구성도이다.
도8은 기존의 중력보상 모터의 가동구간을 도시하고 있다.
본 발명의 작용효과를 도면을 이용하여 설명하면, 하기와 같다.
도1은 본 발명의 중력보상 보이스 코일모터의 3D 단면 형상이다. 자력선과 쌍을 이루어 중력보상 위치에 관계없이 중력보상력을 내도록 하는 스프링은 도시되어있지 않다. 본 발명의 주요핵심부이고 청구항에서 청구하는 발명과 밀접한 구성이므로, 상세히 설명한다. 외부를 이루는 요크의 구성이 있다.
요크는 상부요크와 하부요크로 구성되며, 편의상 모터상부하우징(상부 요크) 및 모터하부하우징(하부 요크)으로 호칭하였다. 또한 상기 모터상부하우징과 모터하부하우징을 통칭하여 모터하우징으로 기재하였으며, 모터하우징은 모터의 스테이터 역할도 겸하는 것이어서, 모터하우징을 모터스테이터로 청구항에 기재하였다.
또한 상기 모터하우징의 내부에 적어도 3개의 자석이 구비된다. 이는 자석을 필요에 따라 일체형으로 또는 상기 일체형 자석을 조각으로 나누어 구성할 수도 있기 때문이다.
중력보상구동부와 본 발명의 중력보상구동모터를 연결하는 지지축 및
상기 지지축에 연결되어 상하로 이동하는 아마추어 및 상기 아마추어의 원주상에 구비되는 아마추어 코일 및 상기 아마추어를 위쪽과 아래쪽에서 자력으로 당기는 힘을 만들어 상기 아마추어가 중심에서는 0의 자력을 받고, 위쪽 또는 아래쪽으로 움직이면 거리에 따라 인력을 크게 받도록 구성하는 상부자석과 하부자석이 각각 상기 모터상부하우징(상부 모터스테이터)과 상기 모터하부하우징(하부 모터스테이터)의 안쪽에 구비된다.
도1에 도시되지 아니하였으나, 도2를 추가로 참고하면, 상기 지지축의 상부 또는 하부에 탄성부를 구비한다. 상기 탄성부는 상기 아마추어가 중심에 있는 경우 힘의 발생이 0 이며, 아마추어가 중심에서 멀어지는 거리에 비례하여 중심으로 당기는 힘을 발생한다. 이 힘은 모터하우징 내부에 구비된 상부자석과 하부자석이 상기 아마추어가 중심에서 멀어짐에 따라 발생하는 힘의 반대방향으로 작용한다. 하나의 자석을 이용하여 이를 구현하는 것도 가능하지만, 상하부로 이루어진 2개의 자석을 이용하면, 자장의 거리에 따른 비선형성을 상하로 배치된 자석이 서로 상쇄하는 효과가 있기 때문에 본 발명에서는 상부자석과 하부자석을 상하로 배치하여 선형성을 증가하였다.
또한, 도1 및 도2를 참고하여 보면 측면자석(410)이 더 구비되어 있다.
본 발명의 또 다른 구성은 중력보상의 크기를 쉽게 설정하기 위한 수단을 제공한다. 즉, 상기한 바와 같이 상부자석, 하부자석 및 탄성부(스프링)으로 상기 아마추어의 위치와 관계없이 0의 힘을 만들어주는 구조를 형성하였다. 그러나, 실질적인 중력보상력은 0로 만들어 주었다.
따라서, 중력보상을 만들어주는 별도의 구성의 필요한데, 이 구성이 상기 아마추어 외부를 따라 모터하우징 내부에 구성되는 측면자석(410)이다. 상기 측면자석은 아마추어와 나란히 측면에 구비될 수도 있고, 중심에서 위쪽으로 치우쳐 구비될 수도 있다. 상기 측면자석과 함께 구비되는 구성으로 상기 아마추어의 외주면에 코일사이에 구비되는 원반형태의 중력보상력조절디스크 이다. 상기 중력보상력조절디스크는 아마추어의 최대 두께의 1/10 내지 9/10로 구성되어 상기 측면자석과의 자기력에 의하여 중력보상의 크기를 결정한다.
즉, 본 발명은 상기 상부자석과 하부자석 및 탄성부의 구조적인 형상에 의하여 상기 아마추어에 작용하는 힘을 0으로 만들어 주고, 상기 지지축에 가해지는 중력의 크기(중력보상구동부에서 보상해 주어야 하는 힘의 크기)를 상기 측면자석과 상기 중력보상력조절디스크 사이에 작용하는 자력으로 만들어 준다.
따라서, 상기 측면자석의 세기와 상기 중력보상력조절디스크의 두께를 조절함으로써 중력보상력의 크기를 바꿀수 있는 장점이 있다.
도2는 본 발명의 중력보상구동모터를 중력보상력이 필요한 반도체 스테이지에 적용한 도면이다.
도3과 도4는 본 발명의 중력보상구동부의 중력보상 원리를 그래프로 도시하고 있다. 상부자석과 하부자석 및 탄성부(스프링)에 의하여 중간(중심)에서 0의 힘을 만들어주고, 측면자석에 의하여 중력보상력을 만들어 주는 그림을 도시하고 있다.
도4는 상기 측면자석과 상기 아마추어 외주면에 구비된 중력보상력조절디스크 사이의 중력보상력 발생 원리를 도시하고 있다.
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도5는 본 발명의 중요한 특징부인 상기 아마추어 형상의 기능을 설명하고자 한다.
우선 도3은 참고하면, 상부자석의 힘과 하부자석의 힘이 서로 상쇄되면서 선형의 자력을 생성하는 작동구간이 중심을 기준으로 존재하는 것을 볼 수 있다. 이 구간을 벋어나면, 자석과 아마추어가 위쪽 또는 아래쪽으로 가까워지기 때문에 자력의 비선형성이 증가하여 중력보상구동부 구동이 불가능함을 알 수 있다.
즉, 자석과 아마추어가 가까워지면서 자력의 크기기 커지기 때문에 선형의 동작구간이 좁게 생기는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 상부자석 및 하부자석의 영향을 받아 자력을 받는 상기 아마추어의 중심부의 높이를 낮추는 구성을 도입하였다. 즉, 상기 아마추어의 중심부의 두께를 얇게 구비함으로써 중력보상작동 구간을 확장하였다.
도6은 이러한 자력의 힘의 작용을 비교하여 도시하고 있다. 즉, 상기 아마추어의 두께를 일정하게 한 경우와 상기 아마추어의 중심부의 두께를 얇게 구성한 경우의 중력보상동작 범위를 도시하고 있다. 기존의 구성과 비교하여 200% 가까이 동작범위가 넓어진 것을 알 수 있다.
도7과 도8은 상부에 하나의 자석을 구비한 공지의 중력보상 모터를 보여주고 있다. 중력보상구동부라는 점에서 그 목적은 유사하지만, 구체적인 동작과 중력보상 가동 범위가 너무 좁은 문제가 있어왔다.
추가하여 도2의 (B)를 참고하면, 이동프레임을 스프링이 1 지점 이상에서 지지하고 있다. 이렇게 구성함으로써 중력보상 구동부가 안정적으로 동작할 수 있으나 가이드를 구비한다면 1개의 탄성부로도 안정적인 구동이 가능하다.
또한, 상기 이동프레임의 일측에 엔코더를 구비하여 상기 이동프레임의 위치를 항상 모니터링함으로써 상기 아마추어 코일에 가하는 전력을 제어함으로써 상기 중력보상 구동부의 상하 위치를 제어할 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 이동프레임을 지지하는 1개 이상의 스프링 하부에 로드셀을 구비하여 지지하는 중량을 실시간으로 측정하여 상기 아마추어 코일에 흐르는 전력을 제어할 수 있다.
또한, 상기 로드셀은 중량의 변화에 반응하는 것이어서, 지지하는 시스템의 오동작에 의한 충격발생 등을 모니터링하여 일정 크기 이상의 중량변화가 있는 경우 동작 경고와 함께 시스템을 정지시킬 수 있는 충격알람 및 보호기능을 수행한다.
부언하면, 본 발명은 자석과 스프링의 탄성을 이용하여 지지하는 시스템의 중력을 보상하는 것으로 자석의 거리에 따른 자력의 비선형성으로 발생하는 근 거리에서의 자력의 증가를 아마추어의 중심부를 얇게 구성함으로써 근 거리에서의 자력의 증가에 의한 가동범위 협소문제를 1차적으로 해결하고자하였으며,
또한, 측면자석의 세기와 상기 아마추어의 외곽에 구비한 중력보상력조절디스크의 두께를 조절함으로써 중력보상구동부의 중력보상력의 크기를 조절할 수 있는 수단을 제공하고 있는 점에서 기존의 기술들로부터 현저한 구성의 차이와 그로인한 효과가 있는 발명이다.
또한, 상기 상부 및 하부 자석과 상기 아마추어 사이에 작용하는 자력의 세기를 조절하기 위하여 상기 아마추어 표면에 홈 또는 돌출부를 추가로 형성할 수 있음은 물론이다(미도시)
본 발명은 상기와 같은 작용효과를 달성하기 위하여 하기의 과제해결 수단을 제공한다.
스테이지(510); 및 상기 스테이지와 상대적인 위치가 고정된 모터 스테이터(200, 210); 및 상기 스테이지와 1곳 이상의 지점에서 스프링으로 연결되는 지지축(320); 및 상기 지지축과 연결되는 상기 중력보상 구동부의 아마추어(300); 및 상기 아마추어의 원주를 따라 감겨진 아마추어 코일(310); 및 상기 모터 스테이터 내부 원주에 설치된 측면자석(410); 및 상기 모터 스테이터 상부 중심 안쪽에 구비되는 상부자석(400); 및 상기 모터 스테이터 하부 중심 안쪽에 구비되는 하부자석(420);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 아마추어는 원반 형태로 중심에 상기 지지축이 고정될 수 있도록 중심이 형성되며, 중심에서 상기 코일이 감기는 영역 전까지 점차로 두꺼워지는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 상부자석 및 하부자석은 상기 아마추어에 가하는 힘이 아마추어의 중심부에서 작아질 수 있도록 상기 상부자석 및 하부자석과 상기 아마추어와 거리가 멀어지는 형태인 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 측면자석은 상기 아마추어의 수평 중심보다 위쪽에 설치되어 중력의 반대방향으로 상기 아마추어에 일정한 힘을 발생하도록 하는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 측면자석은 상기 아마추어의 수평 중심보다 위쪽에 설치되어 중력보상력을 맞추도록 함으로써 상기 아마추어 코일에 전류가 흘러 상기 아마추어가 아래쪽으로 내려가는 경우 상기 측면자석의 일부만을 상기 아마추어 코일이 이용하여 중력의 반대방향 힘이 감소하고, 아마추어의 변위에 의해 스프링의 발생력은 증가하여 알짜 힘을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 상부자석과 하부자석에는 원형의 리세스를 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 상부자석과 하부자석의 리세스는 자석의 중심 안쪽이 상기 아마추어와 거리가 멀어질 수 있도록 원형으로 좁아지는 테이퍼 형상인 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 지지축에는 변위를 측정하기 위한 엔코더가 구비된 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 이동 프레임를 지지하는 상기 스프링의 하부에는 로드셀이 연결되어 상기 이동 프레임이 지지하는 하중을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 모터스테이터; 및
상기 모터스테이터 중심의 상부와 하부를 관통하여 중력보상력을 전달하는 지지축; 및 상기 지지축의 중앙에 연결되어 중력보상력을 발생하는 아마추어; 및
상기 아마추어에 자력을 전달하기위하여 상기 모터스테이터의 상하측 안쪽 중심부에 상기 지지축이 관통하는 외측에 구비되는 상부자석과 하부자석; 및
상기 모터스테이터의 내측 측면에 구비되어, 중력보상력을 발생하는 측면자석을 구비한 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 측면자석은 상기 모터스테이터의 내측면의 수직길이 방향 중앙에서 위쪽으로 구비되는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 아마추어는 중심으로 갈수록 두께가 얇아지는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 아마추어는 외주면의 두께를 아마추어 최대 두께의 1/10 ~ 9/10으로 얇게 구성한 중력보상력조절디스크를 구비하는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
또한, 상기 아마추어의 상기 중력보상력조절디스크 상하로 코일을 구비한 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부를 제공한다.
100 : 중력보상 구동부
200, 210; 모터스테이터
200 : 모터상부하우징(상부 요크)
210 : 모터하부하우징(하부 요크)
300 : 아마추어
305 : 중력보상력조절디스크
310 : 아마추어 코일
320 : 지지축
330 : 스프링
400 : 리레스를 구비한 상부자석
410 : 측면자석
420 : 리레스를 구비한 하부자석
500 : 이동 프레임
510 : 스테이지

Claims (14)

  1. 스테이지(510); 및
    상기 스테이지와 상대적인 위치가 고정된 모터 스테이터(200, 210); 및
    상기 스테이지와 1곳 이상의 지점에서 스프링으로 연결되는 지지축(320); 및
    상기 지지축과 연결되는 중력보상 구동부의 아마추어(300); 및
    상기 아마추어의 원주를 따라 감겨진 아마추어 코일(310); 및
    상기 모터 스테이터의 내부 원주에 설치된 측면자석(410); 및
    상기 모터 스테이터의 상부 중심 안쪽에 구비되는 상부자석(400); 및
    상기 모터 스테이터의 하부 중심 안쪽에 구비되는 하부자석(420); 및
    상기 아마추어는 원반 형태로 중심에 상기 지지축이 고정될 수 있도록 중심이 형성되며, 중심에서 상기 아마추어 코일이 감기는 영역 전까지 점차로 두꺼워지는 형태로 구성되고, 코일이 감기는 영역에서는 외주면의 두께를 아마추어 최대 두께의 5/10 로 얇게 구성하며,
    상기 측면자석은 상기 아마추어의 수평 중심보다 위쪽에 설치되어 상측으로 중력보상력을 발생하고, 상기 아마추어 코일에 전류가 흘러 상기 아마추어가 아래위치로 위치를 변경하며, 위치변경으로 인한 상부자석, 하부자석에 의한 상기 아마추어에 작용하는 힘의 변화를 상기 스테이지와 상기 지지축 사이에 연결된 스프링의 변화로 일정한 중력보상 힘을 유지하는 것을 특징으로 하는 중력보상 구동부.
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