높은 강성과 이동 정확도를 구현하는 ‘U자형’ 리니어 액추에이터

리니어 액추에이터 및 스테이지를 정의하는 표준은 없지만 일반적으로 통용되는 용어를 보면, 리니어 액추에이터는 알루미늄 압출 베이스에 구성되는 반면, 리니어 스테이지는 평평하고 가공된 강철 또는 화강암 베이스로 구성된다.

이러한 차이점은 리니어 액추에이터는 더욱 긴 스트로크를 제공하고 다양한 구동 메커니즘(벨트, 나사, 랙 및 피니언)을 사용하며, 스테이지는 높은 강성, 정밀 이동 및 높은 위치 정확도를 위해 고정밀 리니어 가이드 및 구동 메커니즘(볼 스크류 또는 리니어 모터)을 사용한다.
그러나 U자형의 리니어 액추에이터는 리니어 스테이지와 비교할 수 있는 강성과 이동 정확도를 제공하기 위해 압출 강철베이스를 사용한다. 이 액추에이터 디자인은 제조업체에 따라 다양한 이름으로 불리지만, 본문에서는 ‘U자형 리니어 액추에이터’라고 명한다.
 

알루미늄이 아닌 강철 프로파일을 사용하면 U자형 디자인이 매우 견고해져서, 정밀하고 비싼 일반적인 리니어 스테이지에서의 높은 위치 및 이동 정확도를 가질 수 있다. 또한 강철베이스는 다른 기계 구성품 또는 다축 시스템의 다른 액추에이터와 정밀한 정렬을 구성하기 위해 모서리 가공이 가능하다. 그리고 U자형 리니어 액추에이터가 매우 높은 강성을 지님으로 인해, 액추에이터가 한쪽 끝에서만 지지되는 2축 및 3축 직교좌표 시스템 디자인보다 훨씬 적합하다.

U자형 액추에이터 설계에는 리니어 가이드 시스템이 통합되어 있어 가이드 레일이 없다. 대신 가이드 레일에 있는 궤도는 베이스 내부에 연마되어 있다. 캐리지 또는 테이블은 볼이 바깥쪽을 향하는 상태에서 뒤집힌 리니어 베어링 블록과 유사하다.

이렇게 하면 볼 나사 너트를 수용하는 데 사용할 수 있는 캐리지의 중앙 부분이 남게 된다. 이 구조 원리는 전체 액추에이터를 약 2:1의 폭 vs 높이 비율로 매우 콤팩트하게 만든다. 예를 들어 너비가 60mm인 U자형 액추에이터는 높이가 33mm에 불과하다. 단면(너비 x 높이)은 40 x 20mm, 50 x 26mm, 60 x 33mm 및 86 x 46mm이며 다른 크기도 제공된다.
작은 크기에도 불구하고 U자형 리니어 액추에이터는 매우 우수한 부하 및 모멘트 용량을 가지고 있다. 이는 궤도가 비교적 멀리 떨어져 있기 때문에 캐리지의 형상이 액추에이터가 표준 형태로 수용할 수 있는 것보다 훨씬 큰 베어링 블록의 형상과 유사하기 때문이다.

원래는 반도체 웨이퍼 핸들링 및 의료 진단 디스펜싱과 같은 고정밀 애플리케이션용으로 개발되었다. 이러한 애플리케이션에서는 공간 제약으로 인해 일반적인 리니어 스테이지가 허용되지 않는다. 이제 U자형 리니어 액추에이터가 다양한 산업 및 애플리케이션에 사용되고 있으며 여기에는 플라즈마 용접, 자동 조립 및 광학 검사 등이 포함된다.