KR0173974B1 - 용량적으로 정류된 브러시 없는 직류 서보 모터 - Google Patents

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로리머 밀러 가브리엘
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윌리암 라이언
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Abstract

본 발명은 1차원 및 2차원으로 정밀한 이동이 가능하여 그에 따라 선형, 회전형, 평면형 및 원통형 액추에이터를 형성할 수 있는 효율적인 브러시 없는 DC 서보 모터를 공개하며, 이들 모두는 요구되는 위치 및 정류 정보를 유도하기 위한 용량성 방법을 채용한다.

Description

용량적으로 정류된 브러쉬 없는 직류 서보 모터
제1도는 모터 전기자 강자성체 코어를 커패시턴스 위치 검출 소자로서 사용하는 3상 가변 리럭턴스 선형 모터의 기본적인 구성을 도시한 도면.
제2도는 패턴화된 그라운드 평면상 전극의 최대 및 최소 커패시턴스 값을 나타내는 단면도.
제3도는 전극과 그라운드 사이의 커패시턴스를 측정하기 위한 변압기 결합 자기-차폐 방법을 도시한 도면.
제4도는 3상의 공간적으로 평균화된 커패시턴스 위치 정보를 제공하기 위해 강자성체 모터 코어의 선형적 배열의 상호 접속 방법을 도시한 도면.
제5도는 모터 전극 커패시턴스로부터 3상 위치 출력 및 높이 정보를 유도하는 방법을 도시한 도면.
제6도는 위치 검출 시스템에 의해 제공된 3상 위치 출력 신호 φ1, φ2, φ3의 형태를 도시한 도면.
제7도는 모터 권선 정류 명령과 함께, 3상 신호로부터 사인/코사인 위치 출력을 유도하기 위한 구성을 도시하는 도면.
제8도는 위치 검출 신호로부터 모터 권선 커패시턴스의 영향을 제거시키는 방법을 도시한 도면.
제9도는 권선과 코어 사이의 커패시턴스가 제거되도록 다수의 모터 코어 상호 접속 관계를 도시한 도면.
제10도는 독립적인 횡방향 이동 신호를 나타내는 다수 모터 코어 풋프린트를 도시한 도면.
제11도는 셰브런 3상의 공간적으로 평균화된 인쇄 회로 커패시턴스 위치 검출 소자의 형태를 도시한 도면.
제12도는 3상 인쇄 회로 위치 검출 전극의 배면상의 상호접속 관계를 도시한 도면.
제13도는 모터의 전기자 강자성체 코어를 위치 검출 소자로서 사용한 1차원적 회전 모터를 도시한 도면.
제14도는 별개의 커패시턴스 위기 검출 소자를 사용하는 1차원적 회전 모터를 도시한 도면.
제15도는 2차원적 평면형 서보 모터를 도시한 도면.
제16도는 2차원적 원통형 서보 모터를 도시한 도면.
제17도는 에너지 보존형의 고속의 모터 권선 턴-오프 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
제18도는 에너지 전송형의 고속의 모터 자계 스위칭 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,2,3 : 강자성체 코어 4 : 강자성체판
5,6,7 : 권선 8 : RF 변압기
9 : 1차 권선 10 : RF 발진기
본 발명은 1차원 및 2차원으로 정밀한 이동이 가능하여 그에 따라 선형, 회전형, 평면형 및 원통형 액추에이터(linear, rotary, planar and cylindrical actuator)를 형성할 수 있는 효율적인 브러시 없는 DC 서보 모터(bruchless DC servomotors)에 관한 것이다.
전기 모터분야에서, 브러시가 없도록 설계한 모터는 장점이 많은 것으로 알려져 있다(참조문헌, D.C.모터, 속도제어 및 서보 시스템, 제6장, Electro-Craft Corporation, Hopkins, MN(1980)). 이러한 모터는 통상 모터 샤프트에 적절히 부착된 영구자석과 함께 홀 효과 자기 센서(Holl effect magnetic sensors)를 활용하여, 모터 권선에 대하여 정류 정보(commutation information)를 제공한다. 이처럼 광범위하게 이용되는 1차원적인 회전형 모터의 디자인은 또한 N. Wakabayashi 등에게 허여된 미국 특허 번호 제4,509,001호(1985, 4.2) 또는 J.Ish-Shalom 등에게 허여된 미국 특허 번호 제4,618,808호(1986, 10. 21)에 공개된 자기 또는 광위치 센서를 이용하는 1차원적 선형 응용으로까지 확장되었다. 그러한 모든 경우에 있어서, 위치 센서(position sensor)는 모터 자체에 견고하게 부착되며 모터 전기자에 대해 정확히 위치되는 부가적인 요소가 된다. 특히, 종래 기술의 브러시 없는 DC 모터는 1차원 이외의 방향으로 임의의 상당 길이를 자유롭게 이동할 수 없었던 점을 유념해야 한다.
이밖에도, 스텝핑 모터라고 하는 다른 종류의 모터가 있다(참조문헌, Vincent Del Toro 저서, 전기기계 및 전원 시스템, P. 433ff, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J. 1985). 그러한 스텝핑 모터는, 모터의 위치가 순차적인 전기 구동 신호와 조화하여 증분적으로 진행하는 개방 루프 장치가 된다. 이러한 유형의 모터는 B. A. Sawyer에게 허여된 미국 특허 번호 제RE 27,436호(1972,7.18)에 공개된 것처럼, 평면상에서 완전한 2차원 운동을 임의의 거리상에서 제공하도록 확장되었다. 또한, 그러한 스텝핑 모터로부터 모터의 위치를 자기적으로(magnetically)(단, 2차원적으로)측정하여, 이러한 측정 정보를 다시 모터 권선을 정류하는데 사용함으로써 진정한 2차원 브러시 없는 DC 모터를 제작하고자 하는 노력이 있어왔다. 하지만 근래들어 이러한 계획은 실현하기 어렵고 복잡하다는 것이 밝혀졌으며(B. A. Sawyer에게 허여된 미국특허번호 제3,857,078호(1972.12.24)참조), 이러한 형태의 상업적으로 유용한 모터는 보고된 적이 없다. 그러한 시도에서 가장 어려운 것중의 하나가 2차원적 정류(위치) 정보를 신속하고 정확하게 결정하는 것이며, 그러한 방법에 있어서, 한 방향으로의 운동이 수직 방향에서 이용가능한 위치 정보를 방해하지 못하도록 하는 것이다.
하지만, 이러한 작업에 적합한 것으로 여겨지는 2차원에서의 위치 결정에 대한 다른 계획안이 존재하며, 이러한 것은 적합하게 설계된 전극 배열과 적절히 패턴화된 2차원 표면 사이의 커패시턴스(capacitance)의 측정에 의한 것이다(계류중인 특허출원번호 197,800(1988,5.24)의 Interpolating Incremental Capacitive Encoders 참조).
본 발명의 목적은 이러한 커패시턴스 위치 검출 구성을 1차원 및 2차원 엑추에이터(actuator)들 모두에 적용하는 것이다.
또한, 단방향성 구동 전류를 사용하는 가변 리럭턴스 모터(variablereluctance motors)에서 발생하는 고유한 문제로서, 모터를 오프 상태로 전환(turn off)하는 순간에 각 권선에 존재하는 축적된 자기 에너지(stored magnetic energy)를 소멸 시키는 문제가 있는데, 이러한 문제는 모터가 미세한 자기 피치(fine magnetic pitch)를 사용하고 고속으로 이동하는 경우 더욱 심각하게 되고, 그에 따라 고속의 인덕터 스위칭 동작(rapid inductor switching action)이 필요하게 된다.
가변 리럭턴스 모터에 대한 에너지 회복 구성안이 있긴하지만, 몇몇 종래 기술의 방법에서는 의도하는 결화를 달성하기 위해 모터 전기자(motor armature)상에 분리된 다수의 권선이 필요하게 된다. 이에 관한 참고문헌의 예로는 전기차량용 가변 리럭턴스 모터, NASA TECH BRIEF, Vol. II, No.10, Item 113, JPL Invention Report NOP-16993ISC-1444, J.H. Lang and N.L.Chalfin(1987,12)가 있다. 이러한 분리된 모터 권선들은 터의 다른 품질들을 손상시킨다.
본 발명의 다른 목적은 오프 상태 전환(turn off)처리의 속도 상승과 다음 모터 권선에서의 대응하는 온 상태 전환(turn on)처리의 속도 상승 모두를 달성하고, 한 개의 모터 권선내에서의 소멸 자계가 그에 의해 발생된 역기전력(back-emf)을 이용하여 스위치 온 상태가 될 다음의 모터 권선에 이용가능한 전압을 일시적으로 상승시키며, 또한 추가적인 모터 권선없이 상술된 모든 사항을 달성하며, 상술된 모든 사항을 가역 3상 모터에 적용할 수 있게 하는 것이다. 이러한 것은, 역시 역기 전력 효과의 사용에 의해 스테핑 모터에서의 고속 자계 스위칭을 제공하도록 의도된 종래의 기술로서, G. W. Van Cleave에게 허여된 미국특허번호 제3,486.096호 (1969,12.23), J.J. Rogers 등에게 허여된 미국특허번호 제4,533,861호(1985,8.6) 등에서 공지된 사항과는 다른 것이다. 이들 특허들에 기재된 사항으로는 방향의 역전환을 포함하는 3상 모터를 취급할 수 없다.
본 발명에 있어서, 브러시 없는 DC 모터의 동작은 RF 커패시턴스 측정에 의해 모터의 전기자(armature)와 고정자(stator)의 상대적 위치를 결정하고, 이렇게 결정된 정보를 모터 권선에 대한 구동을 제어하는데 사용함으로써 달성될 수 있다. 이러한 캐패시턴스 측정은 분리된 전극 구조를 이용하거나, 또는 모터의 양호한 실시 형태에 있어서 모터의 강사성체 코어 자체를 커패시턴스 검출 소자로서 사용함으로써 달성된다. 이러한 것은 종래의 부가적인 위치 검출 소자를 필요로하지 않고서 자체 정렬된(self-aligned) 컴팩트한 설계를 가능하게 한다.
평면의 정방형 공기 베어링 지지판(air bearing supporting plate)의가장자리를 따라 탑재된 4개의 용량적으로 정류된 선형 서보모터를 사용함으로써 진정한 2차원 서보모터를 제공할 수 있다. 예컨대 공장 조립대의 선반에서 동작할 수 있는 이러한 2차원 서보 모터는 동일 엑추에이터내에서 동시적이며 독립적인 회전 및 축변환을 제공하는 2차원 원통형 서보 모터를 제공하도록 변형될 수 있다.
이들 모터 구조 전체는 고속 동작에 적합하며, 상술된 다상 모터의 동작에서의 공지된 문제점, 즉 모터 권선내의 자계에 대한 빠르고 연속적인 스위칭에 대하여 어려움을 갖는 문제점은, 본 경우에 있어서, 오프 상태로 전환된 권선내의 에너지를 온 상태로 전환될 다음 모터 권선으로 신속하게 전달하거나 또는 그 에너지를 다시 전원으로 전송하는 새로운 패시브 시스템에 의해 해결된다. 이러한 에너지 전송 구성은 임의의 수의 위상을 갖는 모터에 사용될 수 있고, 더욱이 모터 방향의 반전을 자동적으로 조절할 수 있다.
특히 이러한 형태는 새로운 다이오드 결합된 자동변압기 구성을 활용한다. 이러한 것은 각 유도성 권선의 신속한 오프 상태 전환을 가능하게 하고, 오프 상태 전환의 과도상태 동안 본질적으로 모든 이용가능한 축적 자계 에너지를 각각의 구동 전원이나 또는 다른 축적 장치에 효율적으로 돌아갈 수 있게 한다. 또한 이러한 변압기 시스템은 이용가능한 모터 권선 공간의 어떠한 낭비도 없이 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
스퓨리어스 커패시턴스(spurious capacitances)의 효과를 방지하기 위해 본 출원인의 상술한 계류중의 특허에 사용된 동일한 기술이 모터 자체에도 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 부가적인 특징과 장점에 관하여는 이하에서 도면을 참조한 설명으로부터 이해가 용이할 것이다.
제1도는 본 발명의 양호한 실시예의 기본적 형태를 도시하고 있다.
여기에서, 3개의 전기적으로 분리된 동일한 강자성체 코어(1, 2, 3)가 균일한 2차원 패턴의 다수 홀을 포함하는 전기적으로 접지된 평탄한 강자성체판(4)상에 탑재되어 있다. 각각의 코어는 별개의 1:1:1:1 멀티필러 RF 변압기(multifilar RF transformer)(8)상의 권선(5,6,7)에 접속되어 있으며, 이 변압기의 1차측은 RF 발진기(10)에 의해 구동된다. 3개의 코어 각각은 중앙 레그(center leg)(제1도에서는 간략함을 위해 표시하지 않았으나 제8도에는 표시하였음)에 권선을 포함하고 있으며, 이들 3개의 모든 코어는 특정 간격을 두고 서로 견고하게 고정되어 있다. 이러한 구성은 가변 리럭턴스 선형 모터(variable reluctance linear motor)를 구성하며, 여기에서 강자성체 코어(전자석) 어레이는 플래튼(platen) 또는 강자성체판(4) 바로 위의 공기 베어링(air bearing)(제15도 참조)상에 지지된다. 코어의 중앙 레그 권선을 온 상태로 전환시키면, 홀을 포함하고 있지 않은 플래튼의 가장 인접한 라인으로 적절히 당겨지게 되고, 연속하여 적절하게 전자석을 번갈아 온(on), 오프(off) 상태로 전환 시키면, 모터는 강자성체판상에서 이동하게 된다. 돌출부(protuberance) 또는 포스트(post)를 대신하여 홀(hole)들이 배치된 강자성체 플래튼(ferromagnetic platen)을 사용하는 이러한 구성은 제작상의 이점을 가지며, 보다 높은 순자화(net magnetization)를 가능하게 하고, 공기 베어링에 대하여도 적합하게 하여, 보다 나은 위치 검출 신호를 제공하게 한다.
물론, 전자석 전류 구동의 동기화는, 각각 플래튼 홀 어레이에 대하여 정확한 공간적 위치에서 정확히 온 및 오프 상태로 전환되어야만 하므로, 상당히 중요한 사항이 된다. 요구되는 위치 검출이 달성되는 방법은 제2도의 간단한 도면을 통해 이해될 수 있다. 이 도면에서, 소형의 전도성 전극(13)이 플래튼(14)의 전도성 영역 바로 위 또는 홀의 영역 바로 위에 있는 것으로 나타내었다(이러한 홀들은 비자성 물질인 플라스틱 또는 그밖의 유전체로 채워질 수 있다). 전극과 그라운드 사이의 전기적 커패시턴스는 두 경우에 있어서 서로 다르며, 중간 위치에서는 대응하는 중간값을 갖게 된다.
제1도에서 이용된 커패시턴스 효과는 플래튼에 대한 코어의 상대적 위치를 검출한다. 멀티필러 RF 변압기(multifilar RF transformer)를 사용하는 이러한 검출방식은 상술된 공동 계류중인 특허출원 Interporating Incremental Capacitive Encoders 출원번호 제197800호(1988,5.24)에 기재된 것과 동일하다. 그 기본적 구성은 제3도에 나타내었다. RF 발진기(17)는 두줄의 1:1 변압기의 1차측 권선(18)을 구동한다. 2차측 권선(19)은 해당하는 용량 검출 전극(20)을 구동하며, 상기 전극은 권선(18)에 의해 구동되는 보호 또는 차폐 전극(21)으로 둘러싸여있다. 이러한 방식에 있어서, 전극(20)에서 그라운드(22)로 흐르는 RF 변위 전류만이 도면상의 지점(23)에서 측정된다. 이러한 측정은, 상술한 계류중인 특허 출원에서 상세히 설명된 바와 같이, 커패시턴스 C2, C3, C4, C5의 모든 잠재적인 간섭 효과와 무관한다. 이러한 기본적인 구성은 제1도에서 이용된 구성이 되며, 물론 제4도에 도시한 바와 같이 여러 세트의 코어를 사용하여 확장되는 것도 당연하다. 제4도에서 코어(25,26,27)는 공통의 3상 출력 E1, E2, E3을 제공할 수 있는 방식으로 유사한 상대적 위치에서 다른 동일한 코어과 함께 접속된다. 모든 전극들은 단일의 공통 보호 전극(28)으로 차폐된다.
출력 신호(E1, E2, E3)는 제5도에 도시된 시스템을 차례로 구동시킨다. 이러한 시스템은 상술된 계류중인 특허출원에 사용된 시스템과 동일하다. 용량성 신호의 차(E1-E2), (E2-E3) 및 (E3-E1)는 동기 정류기(31,32,33)를 구동시키며, 이들 정류기는 위치 출력(37,38,39)를 제공한다. RF 발진기(40)는 선형 감쇠기(41)를 통하여 증폭기(A3)를 구동한다. 그에 따라 출력 신호(E1, E2, E3)에 대한 전체 RF 증폭은 일정한 전체 변위 전류를 제공하는 방식으로 제어된다. 이러한 동작은 독립적인 높이 출력 신호(42)와 더불어, 공간 간격과 무관한 위치 신호(37,38,39)를 제공한다.
제6도는 위치 신호(48,49,50)(각각 φ1, φ2, φ3으로 표시)의 형태를 도시하며, 이들 파형은 하나의 플래튼 주기(51)에 대해 120°(공간 간격) 각도로 이루어진다. 이러한 커패시턴스에 기초한 위치 측정 시스템의 이점은 플래튼의 보다 큰 영역에 대해 평균화된다는 것이다. 이러한 것은 시스템이 양호한 미분 선형성, 즉 모터가 동작할 때의 양호한 사이클간 재현성을 갖도록 하는 효과는 갖는다. 이러한 것은 AB 및 BC와 같은 대응하는 거리가 거의 동일하게 되도록 하며, 이는 정확한 위치 보간에 중요한 사항이 된다.
3상 위치 신호φ1, φ2, φ3는 제7도에 도시된 바와 같이 결합되어, 사인 및 코사인 출력을 제공한다. 이들 두 신호는 모터 위치를 결정하도록 업/다운 카운터를 구동하는데 이용된다. 또한 이들 두 신호는 8비트 A/D 컨버터에 의해 디지털화되어, 하나의 플래튼 주기내에서 정밀한 위치 보간을 제공한다. 모터 정류 신호는 φ1, φ2, φ3위치 신호로부터 유도되어진다. 이들 정류 신호는 이후 설명될 전류 구동기와 함께 모터 동작에 대한 제퍼력과 방향을 제공하는데 이용된다.
가장 정확한 위치 검출 신호를 구하기 위해서, 모터의 강자성체 코어와 관계된 모든 불필요한 표유 커패시턴스를 최소로 줄이는 것이 바람직하다. 이러한 표유 커패시턴스중 하나는 코어 그 자체와 모터 중앙 레그상의 권선 사이에 있게 된다. 이러한 표유 커패시턴스(stray capacitance)의 효과는 제8도에 도시된 구성에 의해 제거된다. 여기에서, 전자석 권선(61)은 RF 변압기상의 2개의 추가 권선(62,63)을 통하여 구동되어진다. 소용량의 커패시터(66,67)가 변압기 권선(62,63) 각각의 한 단부를 RF 그라운드에 유지되도록 설치함으로써, 전자석 권선(61) 전체가 강자성체 코어(60)의 부분과 정확히 일치하여 구동된다. 결과적으로 코어(60)와 권선(61) 사이에서 표유 커패시턴스를 통한 RF 전류가 흐르지 않게 되며, 원치않는 커패시턴스의 효과는 제거될 수 있게 된다. 전자석 권선(61)을 구동시키는 큰 DC 전류는 (페라이트 코어의(ferrite cored)) RF 변압기(62,63,64,65)에 전혀 영향을 주지 않는다. 이러한 것은 변압기 권선(62,63)를 통하는 전류가 두줄의 권선을 통해서 반대 방향으로 흘러, 그 결과 어떠한 순자속(net flux)도 RF 페라이트 코어와 쇄교하지 않기 때문이다.
원칙적으로, 예컨대 제1도의 3개의 코어 각각에 대해 이러한 절차를 반복하도록 조절하는 것이 가능하다. 하지만 제9도에 도시된 바와 같이 보다 적은 권선으로 동일한 효과가 모든 경우에 달성될 수 있다. 제9도는 6개의 전자석 권선(85 내지 90)을 갖는 6개의 코어(70 내지 75)가 도시된다. 여기에서 주목할 것은 단지 8개의 RF 권선(76 내지 83) 만이 필요할 뿐이며, 실제로 단지 그 개수 만이 임의의 많은 코어에 대해 요구될 뿐이다.
제10도는 3개 코어(93,94,95)의 풋프린트(footprind)가 플래튼의 홀(96) 어레이상에 덮여있는 것을 도시한다. 각각의 코어는 이동에 무관한 방향으로 플래튼 주기에 대한 정확한 정수의 횡방향 풋프린트 길이를 가지므로, 관련 커패시컨스 값은 기본적으로 한 방향(이동에 무관한 방향)에서의 전이에 대하여는 변화하지 않게 유지되며, 다른 방향(측정 방향)에서는 (필요에 따라)정현적으로 변화한다.
전술한 모터에 관한 모든 설명은 모터 전기자 소자 자체(motor armature elements themselves)가 자신의 용량성 위치 센서로서 작용할 수 있는 상황에 대하여 중점적으로 기술하였다. 하지만 이러한 것이 가능하지 않은 경우에 있어서도, 전술한 계류중인 특허출원에서 기술된 형태의 분리된 커패시턴스 위치 검출 어레이가 여전히 이용될 수 있으며, 한 실시예가 제11도에 도시되어 있다. 이 도면에서는 3개의 용량성 검출 소자(98,99,100)의 인쇄 회로 에레이를 도시하고 있다. 이들은 미소하게 구불구불한 셰브런(Chevron) 패턴을 형성하고 있으며, 센서는 단지 종방향의 이동에 대해서만 판독하게 될 뿐 횡방향의 이동에 대해서는 판독하지 못하게 된다. 이들 세 개의 각각의 전극은 도금된 관통 구멍을 통하여 인쇄 회로 기판의 뒷면상에서 세 개의 공통 판독 라인(103,104,105)에 상호 접속된다. 그러한 전극의 구조는 선형적인 모터 정류 정보를 제공하도록 코어(70 내지 75)와 같은 적절한 전자석에 견고하게 고정된다. 본 응용에 대한 홀 효과나 그밖의 센서상에서의 장점은 보다 큰 영역으로 인하여 고도의 공간적 평균화(a high degree of spatial averaging)를 제공함으로써 양호한 미분 선형성(good differential linearity)을 제공한다는 사실에 있다.
전술한 시스템은 모두 1차원적인 선형 모터(linear motors)에 관한 것이었지만, 당연히 1차원적인 회전 모터(rotary motors)로 확장될 수 있다. 제13도는 이러한 예를 도시하고 있다. 여기에서 세 개의 전기자 소자(109,110,111)는 제1도의 코어(1,2,3)와 동일한 방식으로 그 자신의 커패시턴스 위치 검출 소자로서 작용하여 이중의 역할을 한다.
유사하게, 만일 회전 모터 전기자 소자가 그 자신의 위치 센서로서 작용하는 이중 역할을 할 수 없다하더라도, 여전히 상기 소자는 별개의 회전 용량성 센서를 제공할 수 있다. 이러한 실시예를 제14도에 도시하였다. 여기에서, 삽입된 세 개의 검출 전극(E1,E2,E3)은 하나의 인쇄 회로 기판(115)의 한 측면상에 포토리소그래픽처리로 적절히 형성된다. 인쇄 회로 기판의 다른 한 측면(도면에서는 생략하였음)상의 금속화 부분(116)은 그 자체가 다시 전술한 바와 같이 RF 소스로부터 구동되어, 전극(E1,E2,E3)과 일치하여 전기적으로 회전하며 그에 따라 구동되는 차폐물로서 작용한다. 센서 어레이는, 모터 샤프트에 견고하게 고정된 전극으로서 회전하며 접지되어 있고 패턴화된 전극(117)으로부터 다소 이격되어 설치된다. 센서 전체는 평판의 디스크형 센서이기는 하지만, 원통형 센서가 역시 이용될 수 있다.
제1도에 도시된 형태의 1차원의 선형 용량적 정류된 모터에 관한 설명으로부터 이러한 다수 형태의 모터는 일치하여 동작하도록 그룹화될 수 있다는 것이 명백하다. 제 15도는 이러한 실시예를 도시한 것으로서, 공기 베어링 노즐(128)을 갖는 평탄한 정방형 공기 베이링판(124)의 가장자리를 따라 4개의 상술된 바와 같은 모터(120,121,122,123)가 배치되어 있다. 이러한 구성은 전체 플래튼 영역상에서 제어된 2차원적 이동을 제공하게 되며, 원칙적으로 이러한 구성은 무한히 확장될 수 있다. 센서 신호, 모터 구동 신호, 전력 및 압축 공기(공기 베어링용)는 연결선(125)을 통해 공급받는다. 이 시스템에서는 별개의 독립된 위치 판독 신호 X1, X2, Y1, Y2 를 제공한다. 모터의 중심 위치(X,Y)은 X = 1/2(X1+X2) 및 Y = 1/2(Y1+Y2)로 규정된다. 모터의 각회전 θ(현재의 설계로는 ±5°로 제한됨)는 용장성으로(redundantly), (X1-X2) 및 (Y1-Y2)로부터 얻어질 수 있다. 폐쇄 루프 서보 제어에 요구되는 모터의 위치는 제7도에 도시된 모터 각각의 사인-코사인 출력으로부터 구동된 업/다운 카운터에 의해 제공된다. 이러한 모터의 구성은 완전한 2차원 평면운동을 제공하고, 또한 작은(예각의) 각도 범위상에서 제어된 회전을 제공한다. 정류 신호는 제15도의 구성에 있어서 약 5°의 회전각까지 명확히 유지된다. 이러한 각도 제어는 이들 모터를 어셈블리 동작에 적용하는데 유용하게 된다. 모터 위치 정보는 용장성으로 4개의 수치 X1, X2, Y1, Y2를 제공함으로써 3개의 위치 파라미터 X, Y, θ를 지정하게 한다. 이러한 것은 견실한 용장성 검사를 가능하게 한다. 또한, 제5도에서 알 수 있는 바와 같이 센서 시스템은 그 국부적 그라운드 평면 위의 각각의 센서의 높이 h1, h2, h3, h4를 제공하고, 이러한 것은 공기 베이링 두께에 대한 각 모터의 측정치를 제공하고 이러한 정보도 다시 용장성이 된다. 이러한 방법에 있어서, 4개의 모터 센서는 모터 이동에 대한 전체 6개의 자유도(degrees of freedom)의 용장성 출력을 제공한다. 또한 연속적인 모터 코어 그룹은 제11도의 셰브런 패턴과 동일한 효과를 제공하도록 동일한 이동 방향에 대해 선행한 그룹으로부터 미소한 오프셋을 가질 수 있다.
실질적인 문제로서, 평면의 모터는 부가적으로 지속적 영구자석(126)을 사용하여, 4개의 모터 전체가 오프 상태로 전환되는 경우데도 정확한 공기 베어링 동작을 유지하게 한다. 이러한 자석은, 모터 자체가 진정한 가변 리럭턴스 디자인(true variable reluctance design)이 되고 따라서 하이브리드 스텝퍼 모터(hybrid stepper motors)에 이용되는 것과 같은 어떠한 영구 자석도 포함하지 않아야 하기 때문에 요구된다.
제15도에서와 같은 형태의 2차원 평면 디자인의 경우, 필요에 따라서 제11도 및 제12도에 도시된 형태의 4개의 분리된 용량성 위치 센서를 대신하여 사용할 수 있다. 또한 어떠한 형태의 검출이 활용되던지 간에, 제16도에 도시된 형태의 2차원 원통형 모터로 변경할 수 있다. 제16도에서는 제15도의 강자성체 플래튼이 원통(129)을 형성하도록 주변으로 감싸여 있으며, 그 표면은 전술한 바와 같이 홀(holes) 또는 포스트(posts)의 2차원 패턴을 포함하고 있다. 상기 원통형 표면에는 각각 Z 및 θ를 판독하는 2개의 분리된 용량성 센서(130,131)가 이격되어 있다. 물론 이들 2개의 센서는 Z 및 θ 제어하도록 제1도 및 제13도에 도시된 형태의 자체 검출 모터가 될 수 있다. 이러한 원통형인 경우, 원통은 단지 Z 및 θ 이동만을 가능하게 하기 때문에 판독되는 용장성은 존재하지 않게 된다.
전술된 모든 설명은 다른 모터들의 설계 및 커패시턴스 위치 검출과 관련하고 있으며, 모터 코일의 실제적인 전기적 구동에 대하여는 아직 언급하지 않았다. 일반적으로 여기서 논의되는 소형 모터는, 코일 인덕턴스가 약 10mh, 최대 구동 전류가 2암페어이다. 따라서 이에 대응하여 축적 에너지는 약 2 × 10-2주울(Joules)이 된다. 최대 모터 속도에서 스위칭 주파수는 약 1KHz이기 때문에, 코일 회귀 전력(coil flyback powers)은 약 20와트가 된다. 일반적으로 바이폴라 전류 구동을 활용하는 하이브리드 모터에 있어서는, 상기 전체 에너지는 구동 전원으로 자동적으로 복귀된다. 그러나, 여기에서 사용되는 단방향 구동을 갖는 가변 리럭턴스 모터에 있어서는, 상황이 매우 다르게 되어 상기 에너지는 종종 의도적으로 저항체의 열로서 소모되거나, 또는 고전압 제너 다이오드에서 소모된다. 제너 다이오드의 장점은 코일 회귀 전압을 일정하고 높은 값(구동 전원 보다 높은 값)으로 고정한다는 것이며, 이는 바람직하게 코일 자계를 매우 신속하게 소멸시킨다. 하지만, 이러한 것은 에너지 낭비의 원인이 된다.
제17도에서는 빠르게 자계를 소멸하는 장점을 유지하면서 부가하여 이용가능한 회귀 에너지의 낭비를 방지하는 간단한 구성이 도시된다. 도면에서 3개의 모터 코일(134,135,136)은 Y 결선(star connection)을 이루며, 3개의 전원 트랜지스터(137,138,139)에 의해 구동된다. 예컨대 상기 트랜지스터(137)가 온(on) 상태에서 급작스럽게 오프(off)상태로 변한다고 가정하면, 인턱터(134)로부터의 회귀 전압은 다이오드(140)가 온 상태로 될 때까지 급격히 상승한다. 자동 변압기(143)는 N:1의 감소비를 가지므로, 인덕터(134)에 나타나는 클램핑 전압은 본질적으로 전원(145)의 N배가 된다. 이러한 것은 다이오드의 캐소드가 다이오드를 그라운드 전위 이하로 강하시킬 때 전압 클램핑 동작 자체가 다이오드(144)의 온 상태 전환에 의해 야기되기 때문이다. 따라서, 이러한 것은 매우 빠른 코일의 오프 상태 전환 동작을 제공하는 동시에, 축적된 자기 에너지를 전원으로 복귀시킨다.
이러한 구성은 매우 편리하며 효율적이고 간단한 구성이 되며, 부가하여 임의의 정류 시퀀스에서 구동되는 임의의 수를 갖는 모터 위상에서도 작동된다. 하지만, 상기 구성은 단지 고속의 효율적인 코일의 오프 상태 전환 만을 제공하지만, 대응하는 코일의 온 상태 고속 전환을 향상시키지는 못한다.
온 상태 전환 처리 자체는 제17도에 회로 특성을 의도적으로 확장시키므로써 적절히 고속화될 수 있다. 이러한 특성은 다이오드(144)가 온 상태로 전환할 때(코일 회귀 동안) 포지티브 전류를 다시 전원(145)의 포지티브 단자로 흐르게하는 것이다. 결과적으로 전원의 출력 전압은 그 출력 임피던스에 비례하는 크기의 작은 포지티브 편위(excursion)를 필연적으로 받게 된다. 이러한 편위는 제18도에 도시된 시스템을 이용함으로써 의도적으로 상당히 크게 만들어질 수 있다. 제18도에서는 전술한 바와 같이, 트랜지스터(151)가 온 상태(전류 Io 전달)에서 갑자기 오프 상태로 전환되었을 경우, 다이오드(154) 양단 전압은 갑자기 포지티브 상태, 즉 온 상태로 전환된다. 그러나 1:1 자동 변압기(157)와 커패시터(160)로 인하여, 다이오드(154,158,159) 모두가 온 상태로 됨에 따라 상기 회로는 인덕터(148)(인덕턴스 L)가 커패시터(160)(커패시턴스 C)에 직접 교차하게 되는 간단한 병렬 공진(LC) 탱크(tank)회로와 등가가 된다. 이러한 공진 탱크의 1/2 사이클에서, 인덕터(148)의 초기 저장 에너지는 커패시터(160)에 전달된다. 그후, 다이오드(154,158,159)는 모두는 오프 상태로 전환되고, 그때, 다음 모터 코일의 온 상태 전환을 위해 이용가능한 전압은 (VB+ Io√LC)가 된다. 이러한 것은 VB자체보다 상당히 크게 될 수 있으며, 따라서 온 상태로 스위치될 다음 모터의 인덕터에서 전류의 축적 속도는 높아지게 된다.
제18도에서 이용되는 회로는 정확하게 도시되긴 했지만, 실제의 상황에 있어서는, 기술된 것 보다 상당히 복잡하다. 여기서 이용되는 정류 사이클은 전원 트랜지스터(151,152,153)에 대해 온 상태 전환 및 오프 상태 전환 신호가 정확히 일치하도록 한 번에 단지 한 코일의 온 상태 전환을 갖는다. 이론적으로, 전체 필드 스위칭 시간(코일의 감쇠에서 다음의 축적)은 T = 0.7π√LC 가 된다. 하지만 이러한 시간은 자연적으로 발생하는 상당한 와전류(eddy-current)와 플래튼, 모터 코어 모두에서의 다른 손실로 인하여 실제로는 지켜지지 않게 된다. 이러한 사실은 전체 자계 에너지가 한 코일로부터 다음 코일로 자동적으로 전송되지 않게 되며 그 차는 다이오드(161)를 통해 공급되어 부가적인 시간이 걸리게된다는 것을 의미하지만, 실제상으로는 2, 3배의 속도 상승이 달성될 수 있다.
제18도의 회로는 2가지의 또다른 장점이 있다. 첫째는 한번에 단지 한 코일만이 온 상태에 있기 때문에 공통 저항체(162)는 모든 코일에 대해 전류 피드백 정보를 제공하고, 또한 전류의 자동제어에 사용된다. 두 번째는 코일(148,149,150)의 전원 공급 시퀀스는 시스템의 동작과 무관하게 된다는 것이다. 이러찬 것은 모터의 반전과는 정확하게 일치하여, 모터의 반전은 자동적으로 조절된다.
지금까지의 설명은 3상 모터와 대응하는 3배수의 용량성 픽업 전극의 이용에 관하여 국한하였다. 그러나 당 분야의 전문가들은 본 발명의 방법에 의거하여 위상수를 여러가지로 변형할 수 있을 것이다. 또한, 다수의 다른 주기 및 위상 오프셋의 용량성 소자 및/또는 전자석 코어의 풋프린트로 측정방향의 원하는 정현 신호를 발생 할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 제1표면을 규정하는 다수의 전자석 소자(electromagnetic elements)(1,2,3)로서, 상기 전자석 소자상에 있는 폴(poles)이 상기 제1표면과 마주하게 되는, 상기 다수의 전자석 소자(1,2,3)와; 상기 제1표면과는 본질적으로 평행한 제2표면을 규정하는 주 강자성체 부재(predominantly ferromagnetic member)(4)로서, 상기 전자석 소자와 상기 강자성체 부재 사이에서 한 방향 이상의 의도하는 상대적 이동 방향으로 공간적으로 변위될 수 있는, 상기 주 강자성체 부재(4)와; 상기 방향중 적어도 한 방향으로 기동력(motive force)을 제공하기 위하여 상기 강자성체 부재와 상기 전자석 소자 사이에 다상의 전자기장(multi-phase electromagnetic fields)을 확립하기 위한 수단(85-90, 134-139)과; 상기 강자성체 부재에 대한 상기 전자석 소자의 위치를 검출하기 위한 수단(8,10)과; 상기 검출 수단에 응답하여, 실질적으로 연속하는 상기 기동력을 제공하도록 상기 다상의 전자기장을 정류하기 위한 수단을 구비하며, 상기 전자석 소자는 모터의 여기에 대한 요구되는 위상 수에 대응하는 그룹으로 구성되며, 상기 전자석 소자 각각의 폴 간격은 제1방향에 있어 상기 강자성체 부재의 공간적 변위에 일치하고, 상기 제1방향에 있어 상기 전자석 소자의 소자간 간격은 상기 제1방향에 있어 정수배의 공간적 변위 주기를 위상수로 분할한 것과 동일하게 되며; 상기 폴(poles)과 상기 상기 강자성체 부재(ferromagnetic member)는 전기적으로 전도 상태에 있게 되는 모터에 있어서: 상기 검출 수단은, 상기 폴과 상기 강자성체 부재의 공간적 변위 사이에서 커패시턴스 효과를 검출하기 위한 수단(8,10,31-36)을 구비하는 모터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전자석 소자의 제1그룹(120,122)과 제2그룹(121,123)은 상기 폴(poles)을 포함하고, 상기 강자성체 부재(4)는 각각의 제1 및 제2직교 방향으로 상기 공간적 변위를 가지며, 상기 전자기장 확립 수단은 상기 방향중 어느 한 방향 또는 양 방향으로의 이동을 가능하게 하도록 적합되고, 상기 커패시턴스 효과 검출 수단은 상기 양 방향에서의 증분적 이동(incremental motion)에 대한 커패시턴스 효과의 변화를 검출하기 위한 수단을 구비하는 모터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2그룹의 각각의 전자석 소자는, 제1 및 제2 각각의 방향에 대해 제1 및 제2 각각의 특정 주기를 가지며, 제2 및 제1방향 각각의 증분적 이동에 영향을 받지 않도록 정수의 제2 및 제1특정 주기와 동일한 각각의 제2 및 제1방향으로 각각의 차원을 갖게 되는 모터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 강자성체 부재는 제1물질을 구비하고, 제2물질을 함유하는 규칙적인 어레이(regular array)에 의해 제2표면에 대하여 공간적으로 변위되며, 상기 제1 및 제2물질은 도전 영역(conducticg area)과 비도전 영역(non-conducticg area)의 패턴을 제공하는 모터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1물질은 강자성 도체로 구성되고, 상기 제2물질은 유전체로 구성되는 모터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전자석 소자와 상기 강자성체 부재는 상기 제1표면이 실질적으로 평면이 되도록 배열되는 모터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전자석 소자와 상기 강자성체 부재는 상기 제1표면이 실질적으로 원통형이 되도록 배열되고, 선택된 방향이 상기 다수의 다른 소자들에 대하여 어떠한 순간에도 다르게 되지만 상기 제1표면에는 항상 정접(tangent)하게 되도록 배열되는 모터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 다상의 전자기장 확립 수단은 상기 전자석 소자(60)상에 자계 권선(61)을 구비하며; 상기 커패시턴스 효과 검출 수단은, 상기 전자석 소자 및 상기 강자성체 부재와 상기 자계 권선 사이의 기생 커패시턴스의 영향을 줄이도록 대항하는 방위에서 각각의 자계 권선의 맞은 편의 양단에 접속된 한 쌍의 권선(62,63)과 각각의 전자석 소자에 접속된 권선(64)을 갖는 멀티필러 변압기(multifilar transformer)(62,63,64,65)를 구비하며, 상기 한 쌍의 권선은 동시에 상기 멀티필러 변압기의 변압기 작동에서 다상 자계의 확립 영향을 감소하는 모터.
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