KR100316579B1 - 자기변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 변형 재료의 선형 가진기를 이용하여 회전체에 스테핑 작용을 일으켜서 초정밀 미세각을 생성하면서 전달 토오크가 큰 초정밀 스텝 모터에 관한 것으로서, 이를 위하여 자기 변형체의 주위에 전자기 코일을 감고 그 바깥에 영구 자석을 설치하여 자기장에 따라 양/음의 변형을 일으키는 자기 변형 가진기를, 베어링으로 지지된 축에 연결된 회전체에 2 개 또는 그 이상 다수 설치하되 자기 변형 가진기의 끝단에 마찰 판을 붙이고 이 마찰 판을 스프링 힘으로 회전체에 밀어 주어서 항상 마찰 판과 회전체가 접촉할 수 있게 구성하고, 자기 변형 가진기에 톱니형의 전류 신호가 입력되면 톱니형 신호의 경사진 구간에서는 서서히 변위가 증가하면서 마찰력에 의하여 회전판을 돌려주게 되며 톱니 형태에 따라 전류가 급격히 떨어지면 자기 변형 가진기가 급격하게 수축하면서 회전판을 역전시키려고 하나 관성력에 의해서 완전히 역전되지 못하고 마찰 패드와 회전판 사이에서 미끄러지게 되며, 다수의 자기 변형 가진기가 순차적으로 작용함으로서 계속적인 스테핑작용이 일어나서 스테핑 모터가 작동을 하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터{Micro-stepping motor using magnetostrictive actuators}

본 발명은 초정밀 스텝 모터에 관한 것으로서, 특히 다수의 자기변형 가진기를 사용하여 미세 각도를 제어하면서 작동 토오크가 큰 자기변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터에 관한 것이다.

일반적으로, 자기변형 재료(Magnetostrictive materials)는 재료에 자기장을 걸어주었을 때 변형(스트레인)이 생기는 재료로서 1880년에 제임스 주울에 의해서 니켈에 이러한 현상이 있는 것이 발견되었다. 1990년 초에 들어서 상온에서 그다지 크지 않은 자기장에서 성능이 우수한 란탄계열의 테르븀과 디스프로슘(Dy)의 합금인 Terfenol-D가 개발되었다. 이 합금은 큰 변형을 발생하는 장점과 아울러서 큰 힘을 작용시킬 수 있기 때문에 가진기의 재료로서 아주 적절하다.

이러한 자기변형 재료가 개발되면서 각종 가진기가 개발되고 있으며 이들을 응용한 능동 진동제어 또는 능동적인 우주 구조물 제어가 이루어지고 있다. 지금까지 개발된 가진기는 Terfenol-D의 직접적인 자기변형을 이용한 선형 가진기, Terfenol-D 막대기에 자기장을 변형시켜가면서 탄성파를 생성시켜서 유압 실린더와 같이 큰 행정 거리를 내는 선형 모터, Terfenol-D를 이용한 유압 펌프가 내장된 모듈화된 가진기 등이 있다. 이들 가진기의 장점은 정밀한 위치 제어를 할 수 있다는것이다.

일반적으로, 스텝 모터는 펄스파에 의해 회전 각도를 제어하게 되며 마이크로 스테핑 기술에 의해 아주 작은 미세각을 제어할 수 있다. 그러나 주사 탐침 현미경(scanning probe microscope)에 쓰이는 초정밀 스텝 모터는 기존 기술의 스텝 모터로는 어려우므로 지금까지는 압전 재료를 이용한 스텝 모터가 사용되어 왔다. 이것은 압전 재료의 빠른 응답성과 작은 변위를 이용한 것으로 지금까지 개발된 스텝 모터의 스텝은 약 1arcsec(4.8μrad)이고 최대 속도는 초당 1도 정도이다.

그러나, 이러한 초정밀 모터는 전달 토오크가 매우 작아서 초정밀 로봇과 같은 다른 용도로 사용하기 어렵다.

따라서, 본 발명에서는 자기 변형체의 선형 가진기를 다수 사용하여 스테핑 작용을 일으키는 전달 토오크가 큰 초정밀 스텝 모터를 제안하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 그 목적은 자기변형 재료의 선형 가진기를 이용하여 회전체에 스테핑 작용을 일으켜서 초정밀 미세각을 생성하면서 전달 토오크가 큰 자기변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 이용되는 자기변형 가진기에 대한 개략적인 단면도.

도 2는 본 발명에 이용되는 자기변형체의 자기장과 압축력에 따른 특성을 설명하기 위한 그래프.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 2개의 자기변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터의 구성도.

도 4는 본 발명에 이용되는 자기변형 가진기에 인가되는 가진 전류의 형태를 도시한 파형도.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 4개의 자기변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터에 대한 구상도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 자기 변형체(Terfenol-D) 2 : 코일

3 : 영구 자석 4 : 푸시 로드

5 : 압축 스프링 6 : 자기변형 가진기

7 : 마찰 패드 8 : 회전판

9 : 회전축 10 : 스프링

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터는 봉형상의 자기변형체(1)에 자기 코일(2)을 감싸서 자기장을 형성하여 주고 양/음의 변위 생성과 자기장대 변위의 선형성을 증가시키기 위하여 그 주변에 영구 자석(3)을 설치하여 바이어스 자기장을 걸어주며 상기 자기변형체(1)에 연결된 푸시 로드(4)와 상기 푸시 로드(4)를 바이어스 하는 스프링(5)을 이용한 압축력 인가 장치를 갖는 자기변형 가진기(6)를 이용하되, 상기 푸시 로드(4)에 연결된 마찰 패드(7)를 스프링(10)으로 밀어주어 회전판(8)에 접촉시키고, 가진 전류를 상기 자기 변형 가진기(6)에 인가하여 자기변형 가진기(6)에 의해 발생된 변형력이 상기 푸시 로드(4)를 거쳐 상기 회전판(8)에 전달됨으로써, 상기 회전판(8)이 미세 각도로 회전하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따라 이용되는 자기변형 가진기에 대하여 도 1에 도시하였다. 동 도면에 도시된 바와 같이, 자기변형 가진기는 자기 변형체(1)의 주위에 자기 코일(2)을 감고 그 바깥에 영구 자석(3)을 설치한다.

자기 변형체(1)는 양 또는 음의 자기장이 작용하면 늘어난다. 자기장에 따른 변형은 선형적이지 않고 도 2의 그래프에 도시된 바와 같이 비선형적이며 압축 하중에 따라 달라진다. 따라서 영구 자석(3)을 설치하여 바이어스 자기장을 걸어줌으로써 전원의 양/음에 따라 양/음의 변형이 가능해지며 자기장에 따른 변형의 선형성을 개선할 수 있다.

봉형상의 자기 변형체(1)의 양단에는 자기장의 흐름을 이루어 주기 위하여 강철제 막음 판을 설치하고 외부는 알루미늄 통으로 감싼다. 또한, 압축력 인가 장치로서, 봉형상의 자기 변형체(1)의 한 끝단은 푸시 로드(4)가 설치되어 있어서 자기 변형체(1)에서 생성된 변형을 외부로 내보내는 동시에 설치된 압축 스프링(5)에 의하여 자기 변형체(1)에 압축 하중을 가함으로써 자기장에 따른 변형을 증가시킨다.

자기장을 발생시키는 코일(2)은 일정한 전압하에 전류를 변화시킴으로써 자기장의 크기를 조절할 수 있고 따라서 변형을 변화시킬 수 있다. 이렇게 생성된 변형은 최대로 약 1000μ 스트레인으로서 자기 변형체(1)의 길이가 50mm 일 때 0.05mm가 된다. 이 변화량은 압전 소자를 사용했을 때에 비하면 큰 변형량이다.

도 3은 이러한 자기변형 가진기를 회전판 주위에 2개 설치하여 회전 운동을 일으키도록 구성한 본 발명의 제1실시예에 따른 자기변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터를 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스텝 모터의 구조는 회전판(8)의 중심을 회전축(9)에 고정하고 회전판(8)의 회전을 자유롭게 하기 위하여 도시 생략된 두 개의 베어링이 회전축(9)을 지지하며 회전체(8) 주위의 테이블에 고정된 2개의 자기변형 가진기(6)의 푸시 로드(4)에 연결된 각 마찰 패드(7)가 회전판(8)의 외주면에 상호 마주보면서 접촉되고, 각 가압 스프링(10)의 일단이 회전판(8)에 접촉하는 마찰 패드(7)의 반대면에 연결되고, 그 타단이 회전체(8) 주위의 테이블에 고정되어 구성된다.

다음에, 상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 자기변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터의 동작 과정을 상세히 설명한다.

자기변형 가진기에 도 4와 같은 톱니파형의 전류가 입력되면 톱니파형 전류 의 경사진 구간에서는 서서히 변위가 증가하면서 마찰력에 의하여 회전판(8)을 돌려주게 된다. 그러다가 갑자기 톱니파의 형태에 따라 전류가 떨어지면 급격하게 자기변형 가진기(6)가 수축하면서 회전판(8)을 역회전시키려고 하나 관성력에 의해서 완전히 역회전되지 못하고 마찰 패드(7)와 회전판(8) 사이에서 미끄러지게 된다. 이러한 회전 작용은 한 개의 자기변형 가진기(6)가 아니라 다수의 자기변형 가진기(6)가 순차적으로 작용함으로써 계속적인 스테핑 작용이 일어나게 된다.

한 개의 자기변형 가진기가 밀어주는 변위가 최대로 0.05mm(길이 50mm의 자기변형 봉이 1000μ스트레인을 낼 경우)이라면, 한 스텝에 회전되는 각도는 회전판의 반지름이 50mm일 때 0.001rad이 된다. 마찰을 고려한다면 실제로는 이 것보다 더 작은 회전각이 발생할 것이다.

본 발명에 따른 자기변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터의 해상도는 자기변형 가진기의 입력 전류의 크기, 파형, 주파수, 자기변형 가진기의 개수, 마찰 패드와 회전판 사이의 마찰력에 의해서 달라진다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따라 4개의 자기변형 가진기를 설치 구성한 도면으로서, 도 3의 두 개의 자기변형 가진기 구조에 별도의 두개의 자기변형 가진기를 회전판(8)을 중심으로 좌우로 더 포함하여 구성한다.

이때, 4개의 자기변형 가진기(6)의 가진을 한 시점에 하나의 자기변형 가진기(6)만이 가진되도록 각각의 자기변형 가진기(6)에 톱니파형 전류를 순차적으로 인가하게 되면, 가진되지 않는 다른 3개의 자기변형 가진기(6)의 마찰 때문에 회전각 및 회전 토오크는 적어진다.

반면에, 두 개 또는 세개의 자기변형 가진기(6)를 동시에 가진하면 회전각 및 회전 토오크가 커진다. 가진하지 않을 때의 정지 토오크는 회전판(8)과 마찰 패드(7)를 통해 마찰 접촉하고 있는 자기변형 가진기(6)의 개수에 의해 달라진다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정 실시가 가능함을 알 수 있을 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 인가하는 전류에 의해 변위를 발생시키는 자기변형 가진기를 다수 사용한 초정밀 스텝 모터를 구성하고, 각 가진기의 가진을 선택적으로 제어하여 회전각과 회전 토오크를 제어하여, 초미세 각의 정밀도를 가지면서 큰 전달 토오크를 낼 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 봉형상의 자기변형체(1)에 자기 코일(2)을 감싸서 자기장을 형성하여 주고 양/음의 변위 생성과 자기장대 변위의 선형성을 증가시키기 위하여 그 주변에 영구 자석(3)을 설치하여 바이어스 자기장을 걸어주며 상기 자기변형체(1)에 연결된 푸시 로드(4)와 상기 푸시 로드(4)를 바이어스 하는 스프링(5)을 이용한 압축력 인가 장치를 갖는 자기변형 가진기(6)를 이용하되, 상기 푸시 로드(4)에 연결된 마찰 패드(7)를 스프링(10)으로 밀어주어 회전판(8)에 접촉시키고, 가진 전류를 상기 자기 변형 가진기(6)에 인가하여 자기변형 가진기(6)에 의해 발생된 변형력이 상기 푸시 로드(4)를 거쳐 상기 회전판(8)에 전달됨으로써, 상기 회전판(8)이 미세 각도로 회전하도록 구성한 것을 특징으로 하는 자기 변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터.
2. 제 1 항에 있어서, 회전 각도에 대한 해상도의 증가 및 전달 토오크의 향상을 위하여 상기 자기 변형 가진기(6)를 복수로 구성하는 것을 특징으로 하는 자기 변형 가진기를 이용한 초정밀 스텝 모터.