KR101617244B1 - 절대위치 측정이 가능한 선형모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기장의 세기가 다른 기준부를 지나는 홀센서를 이용하여 이동자의 절대위치 측정이 가능한 선형모터를 제공한다.

Description

절대위치 측정이 가능한 선형모터 {LINEAR MOTOR CAPABLE OF ABSOLUTE POSITION MEASUREMENT}
본 발명은 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기장의 세기가 다른 기준부를 지나는 홀센서를 이용하여 이동자의 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 관한 것이다.
선형모터는 직선으로 직접 구동되는 모터로, 회전형 모터를 잘라서 펼쳐놓은 구조이다. 즉, 전동기를 축을 따라 절개한 평면상에 전개한 것과 같은 구조로, 일렬로 배치된 자석 사이에 위치한 코일에 전류를 흐르게 하여 힘을 얻도록 한 구동장치이다.
고정자와 이동자로 구성되고, 이동자의 직선적인 구동력을 발생시키도록 한 것이다.
선형모터의 장점은 회전형 모터에 비해 진동이나 분진이 적어 항공용 등에 많이 이용된다.
선형모터는 이동자의 절대위치와 상대위치를 알아야 정밀한 제어가 가능하다.
이동자의 초기위치를 알고 있다면 상대위치 만 가지고도 선형모터의 제어가 가능하나, 전원 공급 시 이동자의 초기위치를 모른다면 상대위치 만 가지고 선형모터의 정밀한 제어를 하는 것은 불가능 하다.
상대위치를 측정하기 위한 센서로 홀센서를 사용하는 경우, 선형모터의 내부에 홀센서를 구비하고, 이동자의 절대위치를 측정하기 위한 센서가 선형모터 외부에 구비되는 것이 일반적이다.
즉, 상대위치센서와 절대위치센서가 이원화 되는 구성으로, 구성이 복잡하고, 배선이 복잡해지는 문제점이 있다.
한국공개특허 [10-2002-0086275]에서는 선형모터가 개시되어 있다.
한국공개특허 [10-2002-0086275](공개일: 2002년 11월 18일)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 선형모터의 외부에 절대위치의 측정을 위한 센서를 추가로 장착하지 않아도, 홀센서가 내장된 코어부를 이용하여 이동자의 상대위치 뿐 아니라 절대위치도 측정이 가능한 절대위치 측정이 가능한 선형모터를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터는 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 길이방향으로 N극과 S극의 자성물질이 교대로 적층 배열된 자력부(110); 상기 자력부(110)와 연결되며, 상기 자력부(110)를 구성하는 자성물질의 자기력과 다른 자기력을 형성하는 물질로 이루어진 기준부(120); 상기 자력부(110)와 상기 기준부(120)를 포함하는 자성부(100); 상기 자성부(100)와 일정 간격 이격되어 평행하게 구비되며, 코일(211)이 권선된 코일부(210) 다수가 길이 방향으로 배열된 코어부(200); 상기 코어부(200)의 자성부(100)측 외면에 구비된 두 개 이상의 홀센서(310)를 포함하는 센서부(300); 및 상기 센서부(300)의 홀센서(310)들을 기반으로, 자성부(100) 또는 코어부(200)의 절대위치 및 상대위치 중 적어도 어느 하나의 위치를 측정하는 위치측정부(400); 를 포함하되, 상기 센서부(300)의 홀센서(310) 중 적어도 하나의 홀센서(310)는, 자성부(100) 또는 코어부(200)가 왕복운동 할 때, 상기 기준부(120)를 지나는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준부(120)는 복수 개 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 자성부(100) 및 상기 코어부(200)는 원통형인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 기준부(120) 및 상기 홀센서(310)의 배치는 자성부(100) 또는 코어부(200)가 왕복운동 할 때, 모든 구간에서 적어도 하나의 홀센서(310)가 적어도 하나의 기준부(120)를 지나도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 의하면, 선형모터의 외부에 절대위치의 측정을 위한 센서를 추가로 장착하지 않아도, 기준부를 지나는 위치에 설치된 홀센서의 측정값을 근거로 이동자(아마추어)의 절대위치를 측정하는 것이 가능하기 때문에, 선형모터의 구조를 단순화 시킬 수 있으며, 그에 따라 배선도 간소화 시킬 수 있어, 편리성 및 경제성을 높이는 효과가 있다.
기준부를 다수로 구성함에 따라, 절대위치의 측정이 가능한 구간을 확장할 수 있는 효과가 있다.
또, 모든 구간에서 적어도 하나의 홀센서가 적어도 하나의 기준부를 지나도록 배치함에 따라 모든 구간에서 절대위치의 측정이 가능한 효과가 있다.
아울러, 직선형 선형모터 액추에이터는 고정자와 이동자가 약간만 틀어져도 오류가 발생될 수 있으나, 자성부 및 코어부(고정자 및 이동자)를 원통형으로 형성함으로써, 직선형 선형모터 액추에이터에 비해 오류가 발생되는 것을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 기준부가 좌측 끝단에 형성된 실시예를 보여주는 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 기준부가 우측 끝단에 형성된 실시예를 보여주는 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 기준부가 중앙에 형성된 실시예를 보여주는 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 기준부가 복수 개 형성된 실시예를 보여주는 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 자성부 및 코어부가 원통형으로 형성되되, 자성부가 고정자 역할을 하는 실시예를 보여주는 개념도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 자성부 및 코어부가 원통형으로 형성되되, 코어부가 고정자 역할을 하는 실시예를 보여주는 개념도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 홀센서 3 개로 구성된 선형모터의, 이동자에 대한 절대위치 및 상대위치를 측정할 수 있음을 보여주는 개념도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 홀센서 2 개로 구성된 선형모터의, 이동자에 대한 절대위치를 모든 구간에서 측정할 수 있음을 보여주는 개념도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 홀센서 3 개로 구성된 선형모터의, 이동자에 대한 절대위치를 모든 구간에서 측정할 수 있음을 보여주는 개념도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 기준부가 좌측 끝단에 형성된 실시예를 보여주는 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 기준부가 우측 끝단에 형성된 실시예를 보여주는 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 기준부가 중앙에 형성된 실시예를 보여주는 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 기준부가 복수 개 형성된 실시예를 보여주는 개념도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 자성부 및 코어부가 원통형으로 형성되되, 자성부가 고정자 역할을 하는 실시예를 보여주는 개념도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 자성부 및 코어부가 원통형으로 형성되되, 코어부가 고정자 역할을 하는 실시예를 보여주는 개념도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 홀센서 3 개로 구성된 선형모터의, 이동자에 대한 절대위치 및 상대위치를 측정할 수 있음을 보여주는 개념도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 홀센서 2 개로 구성된 선형모터의, 이동자에 대한 절대위치를 모든 구간에서 측정할 수 있음을 보여주는 개념도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 홀센서 3 개로 구성된 선형모터의, 이동자에 대한 절대위치를 모든 구간에서 측정할 수 있음을 보여주는 개념도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터는 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서, 자력부(110) 및 기준부(120)를 포함하는 자성부(100), 코어부(200), 센서부(300) 및 위치측정부(400)를 포함하되, 상기 센서부(300)의 홀센서(310) 중 적어도 하나의 홀센서(310)는, 자성부(100) 또는 코어부(200)가 왕복운동 할 때, 상기 기준부(120)를 지나는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.
적어도 하나의 홀센서(310)가 기준부(120)를 지나는 위치에 설치되는 이유는 홀센서(310)가 기준부(120)를 지날 경우 절대위치의 측정이 가능하기 때문이다.
자성부(100)는 상기 자력부(110)와 상기 기준부(120)를 포함한다.
자력부(110)는 길이방향으로 N극과 S극의 자성물질이 교대로 적층 배열된다.
다시 말해, 도 1에 도시된 바와 같이, N극의 자성물질과 S극의 자성물질이 교차 배열되되, 일정간격 이격되어 배치될 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이, N극의 자성물질과 S극의 자성물질이 교차 배열되되, 밀착 구비될 수 있다. 여기서, 자성물질이란 자력을 띄는 물질을 말하며, 영구자석 등을 예로 들 수 있다.
기준부(120)는 상기 자력부(110)와 연결되며, 상기 자력부(110)를 구성하는 자성물질의 자기력과 다른 자기력을 형성하는 물질로 이루어진다.
이때, 상기 기준부(120)는 좌측 끝단(도 1 참조), 우측 끝단(도 2 참조) 및 그 이외의 모든 부분(도 3 참조)에 위치될 수 있다.
예를 들어, 상기 자력부(110)를 구성하는 N극 또는 S극의 자성물질의 자기력이 10 이라 가정할 경우, 상기 기준부(120)는 0, 5 또는 15의 자기력을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 여기서, 자기력이 0인 물질은 일반적으로 자기력(자성)을 띄지 않는 물질로, 세라믹 등을 예로 들 수 있다.
코어부(200)는 상기 자성부(100)와 일정 간격 이격되어 평행하게 구비되며, 코일(211)이 권선된 코일부(210) 다수가 길이 방향으로 배열된다.
예를 들어, 길이 방향으로 형성된 코어부(200)의 외주면에 다수의 슬롯이 소정의 간격으로 배치될 수 있고, 하나의 슬롯에 코일(211)이 권선된 하나의 코일부(210)가 각각 배치될 수 있다.
센서부(300)는 상기 코어부(200)의 자성부(100)측 외면에 구비된 두 개 이상의 홀센서(310)를 포함한다.
홀(Hall)센서는 주로 두께 약 0.5μm~100μm의 반도체 조각을 세라믹 또는 플라스틱 기판 위에 부착시키거나, 기판 위에 약 2μm~3μm의 두께로 얇게 입히는 등 아주 얇은 반도체 판으로 제작된다.
반도체 판의 길이방향(예 : 가로방향)으로 전압을 인가하면 전류(I)는 전자들을 아주 빠른 속도로 이동시킨다. 이때 전류에 수직방향으로 자속을 통과시키면 로렌츠의 힘에 의해 전하는 옆으로 편향된다. 따라서 기판의 다른 양단(예 : 세로방향)에는 수 100mV에 달하는 전압(UH)이 발생된다. 이 전압을 홀 전압(Hall voltage)이라 한다.
홀 전압(UH)은 전류(I)와 자속밀도(B)에 비례하며, (홀 상수 : RH)와 반도체 판의 두께(d)에 따라 변화한다.
홀 센서는 전류(I)와 자속밀도(B)로부터 홀 전압(UH)을 발생시킨다.
홀 전압을 UH[V], 전류를 I[A], 자속밀도를 B[Wb], 홀 상수를 RH[m3/As], 반도체 판의 두께를 d[m]라고 하면, 홀 전압 UH[V]는 다음 식으로 표시된다.
Figure 112014057227002-pat00001

위치측정부(400)는 상기 센서부(300)의 홀센서(310)들을 기반으로, 자성부(100) 또는 코어부(200)의 절대위치 및 상대위치 중 적어도 어느 하나의 위치를 측정한다.
홀센서가 몇 개의 N극과 S극을 지나갔는지를 알면 이동자가 얼마만큼 이동하였는지(상대위치) 알 수 있다. 이때, 상대위치는 모터 구동용 신호를 주기 위한 데이터로 이용할 수 있다. 예를 들어, N극과 S극이 1cm 간격으로 구비되고, 이동자를 우측으로 4cm 이동시키려고 할 경우, 홀센서가 현재의 위치에서 우측으로 두 개의 N극과 두 개의 S극을 지나 멈추도록 제어하면 이동자를 우측으로 4cm 이동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 의하면, 선형모터의 외부에 절대위치의 측정을 위한 센서를 추가로 장착하지 않아도, 기준부를 지나는 위치에 설치된 홀센서의 측정값을 근거로 이동자(아마추어)의 절대위치를 측정하는 것이 가능하기 때문에, 선형모터의 구조를 단순화 시킬 수 있으며, 그에 따라 배선도 간소화 시킬 수 있다.
위와 같이, 선형모터의 구조를 단순화 시키는 이유는 항공용 등 부피를 최소화 시키고 문제 발생을 최소화 시키기 위한 단순한 구성을 필요로 하는 용도에 사용하기 위함이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터의 상기 기준부(120)는 복수 개 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 기준부(120)가 차지하는 영역이 클수록 절대위치의 측정이 가능한 영역이 늘어나기 때문에, 보다 정확한 절대위치 값을 모니터링 하기 위해서는 상기 기준부(120)가 차지하는 영역을 늘리거나, 홀센서(310)의 수를 늘릴 수 있다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터의 상기 자성부(100) 및 상기 코어부(200)는 원통형인 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서, 원통 형상은 링 형상을 포함한다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, N극의 자성물질과 S극의 자성물질이 교차 배열되되, 밀착 구비된 원통형의 자성부(100)를 고정자(샤프트)로 이용하고, 상기 원통형의 자성부(100)를 둘러싼 원통형의 코어부(200)를 이동자(아마추어)로 이용할 수 있도록 구성할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 길이 방향과 수직되게 형성된 다수의 원통형 슬롯이 길이방향으로 소정의 간격으로 배치되고, 각각의 슬롯에 코일(211)이 권선된 코일부(210)가 배치된 코어부(200)를 고정자로 이용하고, 상기 원통형의 코어부(200)를 둘러싼 원통형의 자성부(100)를 이동자로 이용할 수 있도록 구성할 수 있다.
도 5 및 도 6에 N극의 자성물질과 S극의 자성물질이 교차 배열되되, 밀착 구비된 원통형의 자성부(100)를 도시하였으나, N극의 자성물질과 S극의 자성물질이 교차 배열되되, 일정간격 이격되어 배치된 원통형의 자성부(100)를 이용하는 것도 가능함은 물론이다.
도 7은 도 5의 구성을 참고하여 홀센서(310) 3 개로 구성된 선형모터의, 이동자에 대한 절대위치 및 상대위치를 측정할 수 있음을 보여준다.
보다 상세하게는, 홀센서(310)는 3 개로 구성((1), (2), (3)으로 구성된 홀센서)되고, 코어부는 a 위치에서부터 g 위치까지 왕복운동을 한다.
a~c 까지를 A구간 , c~e 까지를 B구간, e~g 까지를 C구간이라고 할때, A구간 및 C구간 에서는 완만한 곡선구간(A구간에서는 (1)홀센서의 측정값, C구간에서는 (3)홀센서의 측정값)을 근거로 절대위치의 확인이 가능하고, B구간에서는 상대위치의 확인만 가능하다.
도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 절대위치 측정이 가능한 선형모터의 상기 기준부(120) 및 상기 홀센서(310)의 배치는 자성부(100) 또는 코어부(200)가 왕복운동 할 때, 모든 구간에서 적어도 하나의 홀센서(310)가 적어도 하나의 기준부(120)를 지나도록 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이는, 모든 구간에서 절대위치를 측정하기 위함이다. 절대위치의 측정이 가능한 구간에서는 상대위치의 측정도 가능하다.
예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 홀센서(310)는 2 개로 구성((1), (2)로 구성된 홀센서)되고, 코어부는 a 위치에서부터 e 위치까지 왕복운동을 할 경우, a~e 까지의 모든 구간에서 절대위치를 측정할 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 홀센서(310)는 3 개로 구성((1), (2), (3)으로 구성된 홀센서)되고, 코어부는 a 위치에서부터 g 위치까지 왕복운동을 할 경우, a~g 까지의 모든 구간에서 절대위치를 측정할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 자성부
110: 자력부
120: 기준부
200: 코어부
210: 코일부
211: 코일
300: 센서부
400: 위치측정부

Claims (4)

  1. 절대위치 측정이 가능한 선형모터에 있어서,
    길이방향으로 N극과 S극의 자성물질이 교대로 적층 배열된 자력부(110);
    상기 자력부(110)와 연결되며, 상기 자력부(110)를 구성하는 자성물질의 자기력과 다른 자기력을 형성하는 물질로 이루어진 기준부(120);
    상기 자력부(110)와 상기 기준부(120)를 포함하는 자성부(100);
    상기 자성부(100)와 일정 간격 이격되어 평행하게 구비되며, 코일(211)이 권선된 코일부(210) 다수가 길이 방향으로 배열된 코어부(200);
    상기 코어부(200)의 자성부(100)측 외면에 구비된 두 개 이상의 홀센서(310)를 포함하는 센서부(300); 및
    상기 센서부(300)의 홀센서(310)들을 기반으로, 자성부(100) 또는 코어부(200)의 절대위치 및 상대위치 중 적어도 어느 하나의 위치를 측정하는 위치측정부(400);
    를 포함하되,
    상기 기준부(120)는 상기 자력부(110)와 서로 다른 자기력을 갖는 물질로 구성되고,
    상기 기준부(120) 및 상기 홀센서(310)의 배치는 자성부(100) 또는 코어부(200)가 왕복운동 할 때, 모든 구간에서 적어도 하나의 홀센서(310)가 적어도 하나의 기준부(120)를 지나도록 배치되되, 센서부(300)의 끝단이나 적어도 하나의 코일부(210)를 사이에 두고 하나의 홀센서(310)가 배치되어,
    상기 위치측정부(400)는 상기 홀센서(310)가 상기 기준부(120)를 지날 때 상기 홀센서(310)의 측정값이 상기 자력부(110)를 지날 때와 달리 변화되는 것을 근거로 자성부(100)에 대한 코어부(200)의 절대위치를 확인하며,
    상기 홀센서(310)는 플라스틱 기판 위에 부착된 0.5μm~100μm 두께의 반도체 조각, 또는 기판 위에 입혀진 2μm~3μm 두께의 반도체 판인 것을 특징으로 하는 절대위치 측정이 가능한 선형모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준부(120)는
    복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 절대위치 측정이 가능한 선형모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자성부(100) 및 상기 코어부(200)는
    원통형인 것을 특징으로 하는 절대위치 측정이 가능한 선형모터.
  4. 삭제
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