KR100472829B1 - 보이스코일 모터 및 그 설계방법 - Google Patents

보이스코일 모터 및 그 설계방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극미세 하중 및 변위 제어가 필수적인 응용분야에 적용될 수 있는 보이스코일 모터에 관한 것이다.
이러한, 보이스코일 모터에서 미소추력을 발생하기 위한 영구자석의 설계 방법에 있어서, 상기 모터의 전체 크기와 코일의 권수 및 영구자석의 크기를 결정하는 제 1단계; 상기 영구자석의 크기를 변화시켜 임의의 자속밀도를 가정하는 제 2단계; 상기 제 2단계에서 가정된 값을 통해, 각 부분의 자속밀도 및 비선형 B-H 곡선을 적용하여 자속밀도 및 비선형 B-H곡선을 산출하는 제 3단계; 상기 제 3단계에서 산출된 값을 수렴판정 및 투자율을 재산정하는 제 4단계; 상기 제 1에서 제 4단계를 여러 번 반복을 통해 상기 자속밀도 및 비선형 B-H곡선의 실제 값을 산출하는 제 5단계; 상기 영구자석의 실제 크기를 결정하는 제 6단계; 상기 영구자석의 위치를 결정하는 제 7단계; 전류에 따른 가동자인 코일의 추력을 산출하는 제 8단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

보이스코일 모터 및 그 설계방법{Voice coil motor and design method}
본 발명은 미세한 추력(推力)으로 구동하도록 하는 보이스 코일 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극미세 하중 및 변위 제어가 필수적인 응용분야에 적용될 수 있는 보이스코일 모터에 관한 것이다.
일반적으로 보이스코일 모터는 빠른 응답특성으로 직선운동에 유리하며 비교적 긴 행정거리로 소형화 및 정밀 위치제어에 유리한 장점을 갖는다.
한 예로, 최근 들어 초소형 정밀기기(MEMS) 기기의 급속한 발전으로 초소형 정밀위치제어를 위한 구조물 설계 및 제작시에는 초소형 부품의 역학적 물성치(경도, 굽힘, 탄성계수)를 정밀하게 측정 분석하는 나노인 덴터(Nano in denter)에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다.
이러한, 나노인 덴터는 시료에 인가하는 하중과 변위를 서브 마이크로 또는 나노 스케일의 분해 등으로 미세하게 조절이 가능한 보이스코일 모터(액추에이터)가 필수적으로 요구된다.
그러나, 아직까지 극미소 하중 및 변위 제어는 압전 구동기가 널리 사용되고 있으며, 나노급의 초정밀 위치제어 즉, 극미소 구동력 제어를 위해서는 복잡한 회로 시스템을 요구하게 되는 단점을 갖고 있다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명은 초소형 정밀기기(MEMS) 등에서 요구되는 미소 추력을 발생시킬 수 있는 보이스코일 모터(액추에이터)를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 자기회로의 경로인 철심을 포화시킴으로 넓은 전류범위에서 추력의 선형성이 유지되고 공극에서 자속밀도의 편차를 최소화하여 일정 추력으로 동작되도록 하는 보이스코일 모터를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명을 이루기 위한 방법으로, 보이스코일 모터에서 미소추력을 발생하기 위한 영구자석의 설계 방법에 있어서, 상기 모터의 전체 크기와 코일의 권수 및 영구자석의 크기를 결정하는 제 1단계; 상기 영구자석의 크기를 변화시켜 임의의 자속밀도를 가정하는 제 2단계; 상기 제 2단계에서 가정된 값을 통해, 각 부분의 자속밀도 및 비선형 B-H 곡선을 적용하여 자속밀도 및 비선형 B-H곡선을 산출하는 제 3단계; 상기 제 3단계에서 산출된 값을 수렴판정 및 투자율을 재산정하는 제 4단계; 상기 제 1에서 제 4단계를 여러 번 반복을 통해 상기 자속밀도 및 비선형 B-H곡선의 실제 값을 산출하는 제 5단계; 상기 영구자석의 실제 크기를 결정하는 제 6단계; 중앙요크와 좌우 보조요크의 좌우측양단 및 영구자석과의 사이에 형성되는 공극에서의 자속밀도 편차를 구하여 그 자속밀도 편차에 의한 미소추력을 발생하도록 상기 좌우외부요크의 중앙에서 위쪽 또는 아래쪽으로 소정길이 벗어나게 배열시켜 영구자석의 위치를 결정하는 제 7단계; 전류에 따른 가동자인 코일의 추력을 산출하는 제 8단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 보이스코일 모터를 바람직하게는 좌우측에 영구자석이 고정된 좌우 외부요크와, 상하부에 코일이 권선된 보빈이 내입되어 고정된 중앙요크 및 상기 보빈의 좌우측으로 복수개의 리프 스프링으로 하우징내에 안착되어 고정된 보이스코일 모터에 있어서, 상기 중앙요크와 좌우 외부요크의 상하부에 좌우로 일정한 공극을 두고, 중앙요크와 좌우 보조요크의 좌우측양단 및 영구자석과의 사이에 형성되는 2개의 공극에서의 자속밀도 편차를 구하여 그 자속밀도 편차에 의한 미소추력을 발생하도록 상기 좌우외부요크의 중앙에서 위쪽 또는 아래쪽으로 소정길이 벗어나게 배열시켜 영구자석의 위치를 결정하여 상기 공극에서의 자속밀도 편차를 이용하여 미소추력을 발생하도록 하는 구성한다.
또한, 상기 코일을 필요에 따라 각 층으로 흐르는 전류 방향을 동일하게 구성하거나 서로 다른 방향으로 구성하고, 상기 상하부 코일에서 한쪽 코일에만 전류를 인가하는 방법을 통해 보이스코일 모터의 추력을 다르게 구성한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 보이스코일 모터의 결합관계를 보인 분해사시도 이다.
도 2는 본 발명의 나노인 덴터용 보이스코일 모터의 설계를 위한 기본 구조를 보인 참고도 이다.
도 3은 본 발명에 따른 보이스코일 모터의 영구자석 설계과정을 보인 흐름도 이다.
도 4는 도 3의 자속의 path에 따른 공극 자속밀도 편차를 산출하기 위한 참고도 이다.
도 5는 도 3의 영구자석 자기 등가회로도 이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 보이스코일 모터는 중앙요크(200)와 좌우 외부요크(201)의 상하부에 좌우로 일정한 공극(208,209)을 두고, 하우징(206)에 의해 결합되며, 상기 좌우 외부 요크(201)의 중앙에는 영구자석(202)(203)이 각각 설치된다.
상기 보이스코일 모터의 가동자인 코일(204)은 보빈(207)의 상하부에 권선되어 고정되고, 상기 보빈(207)의 내부에는 중앙요크(200)가 내입되어 고정되며, 상기 보빈(207)은 4개의 리프 스프링(205)으로 하우징(206)과 연결된다.
상기에서 보이스코일 모터는 상하부에 좌우로 두 개의 공극(208,209)을 두어 상기 공극(208,209)에서의 자속밀도 차로 보빈(207)을 밀어 동작된다.
또한, 보빈(207)의 상하부에 권선된 코일(204)은 복수개로 적층되게 구성되며 대략 8∼12회 정도로 권선된다.
한편, 상기 적층된 코일(204)은 필요에 따라 각 층으로 흐르는 전류 방향을 동일하게 구성하거나 서로 다른 방향으로 구성하고, 상기 상하부 코일에서 한쪽 코일(204)에만 전류를 인가하는 방법 등을 통해 보이스코일 모터의 추력을 다르게 구성할 수 있다.
따라서, 상기 코일(204)에 흐르는 전류가 같은 방향이면 미소 추력으로 동작하고, 전류가 서로 다른 방향이면 그 추력은 증가한다.
그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명의 보이스코일 모터의 설계과정을 첨부된 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 보이스코일 모터의 기본 구조는 나노인 덴터에 필요한 서브 마이크로 수준의 추력을 발생시키려면 상기 보이스코일 모터에서 공극(208,209) 자속밀도는 대략 0.01T 정도로 동작하여야 하며, 낮은 자속밀도로 동작 할 경우 넓은 전류 영역에서 추력의 선형성을 유지할 수 있도록 중앙요크(200)와 좌우 외부요크(201)의 상하부에 일정한 공극(208,209)을 유지하도록 보이스코일 모터를 설계하여야 한다.
상기 보이스코일 모터의 추력은 아래의 수학식 1로 도출된다.
상기 N : 코일의 턴수, B1 : 상부 공극 자속밀도, B2 : 하부 공극 자속밀도, i : 입력전류, l : 코일의 유효길이를 각각 나타낸다.
또한, 모터의 전체 크기는 나노급에서 작동되어야 되므로 그 크기의 제약으로 인하여 50*10*40mm 이하로 설계하며, 코일은 최소 1uN의 추력을 발생되도록 전류는 1㎃, 자속밀도 차는 0.01T를 유지하고, 보이스코일 모터의 추력은 N × l 은{10}^{-1} 이 되어야 한다. 따라서, 코일의 직경 0.2mm이고, 상기 코일의 권수는 대략 8∼12이며, 코일의 유효길이는 0.01∼0.02m로 결정한다.
또한, 요크의 재질로는 누설자속을 줄이기 위하여 투자율이 높은 재질을 사용하고, 가동자인 코일(204)이 움직이는 영역을 대략 6∼8mm로 유지하게 구성한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 영구자석(202,203) 크기 결정은 상기에서와 같이 보이스코일 모터의 기본 설계(S501) 즉, 보이스코일 모터의 전체크기 및 코일(204)의 권수 및 영구자석(202,203)의 크기를 계속적으로 변화(S502)시켜 자속밀도를 구하기 위해 임의의 자속밀도를 가정하고, 각 부분의 자속밀도(S503) 및 철심의 비선형 B-H곡선 적용(S504)하여 자속밀도 및 비선형 B-H곡선을 산출(도 4 및 도 5참조)하여 산출된 결과 값으로 수렴판정(S505) 및 투자율을 재산정(S506)한다.
상기에서의 자속밀도는 아래의 수학식 2로 산출된다.
Fm : 영구자석에 의한 기자력
A : 철심의 면적(=공극의 면적)
Rg : 공극의 자기저항
R1 : 철심의 자기저항(path1)
R2 : 철심의 자기저항(path2)
상기에서의 투자율 산정은 아래의 수렴 수학식 3으로 산출한다.
상기에서와 같이, 임의의 결정한 자속밀도를 통해 여러 번 반복을 통해 영구자석(202,203)의 자속밀도 및 비선형 B-H곡선을 정확하게 산출한 다음 상기 영구자석(202,203)의 크기를 결정(S507)하고, 보이스코일 모터에 설치되는 영구자석(202,203)의 위치는 두 공극(208,209)에서의 자속밀도 차 즉, 유한요소법(Finite element method)을 통하여 영구자석(202,203)의 위치를 결정(S508)한다.
즉, 영구자석의 위치 결정은 좌우 외부요크(201)의 중앙으로부터 위쪽으로 위치할 때 아래쪽 공극(209)에서의 누설자속이 위쪽 공극(208)에서의 누설자속보다 많아지게 되어 위쪽 공극(208)을 쇄교하는 자속이 아래 공극에서 자속밀도의 차이가 발생된다. 이러한, 상하부의 공극(208,209)의 자속밀도 차는 표 1에서와 같이 미소추력을 발생하게 되는 것이다. 즉, 좌우 외부요크(201)의 중심을 원점이라 하면 영구자석(202,203)이 Z방향으로 0.1mm 씩 증가할 때마다 대략 1.5 × 10-3 의 미세한 차이를 볼 수 있다.
상기와 같이, 나노인 덴터에서 요구되는 미소추력을 영구자석(202,203)의 위치를 조절하여 필요한 미소추력을 발생시킬 수 있게 되는 것이다.
이어서, 전류에 따른 가동자의 추력을 산출(S509)한다.
먼저, 중앙요크(200)의 자속밀도에 따른 추력는 아래의 표 2에서와 같이 전류에 대한 추력을 나타낸다. 철심에서 포화가 일어날수록 코일(204)에 의한 자속의 영향을 상대적으로 줄일 수 있으므로 전류에 의한 자속의 영향을 받지 않는 이상적인 직선과 가장 근접한 것이 중앙요코(200)일 때가 가장 근접함을 확인할 수 있다.
또한, 전류에 대한 보이스코일 모터의 추력은 표 3에 도시된 바와 같이, 0∼5[A]까지 증가했을 때 발생하는 추력은 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 공극(208,209) 자속밀도의 편차로 인하여 초기위치에서 100㎛이동했을 때 추력이 초기위치에서 보다 더 큰 오차를 보인다. 전류가 증가할 때는 전류에 의한 다속 증가의 영향을 줄일 수 없기 때문에 최대의 전류가 5[A]가 흐를 때 가장 큰 오차를 보이게 된다.
따라서, 두 개의 공극(208,209)에서 발생하는 추력의 차를 이용하여 최대 이동변위 100㎛까지 일정한 미소 추력이 발생하게 되는 것이다.
한편, 전술된 본 발명은 바람직한 실시 예에 대하여 도시하여 설명하였으나, 상기 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 나노인 덴터용 보이스코일 모터의 중앙요크와 좌우 외부요크 상하부의 공극에 의한 자속밀도 차를 이용하여 자기회로의 경로인 철심을 포화시킴으로 넓은 전류범위에서 추력이 선형성을 유지하고 상기 공극의 자속밀도의 편차를 최소화하여 최대 이동변위 100㎛까지 일정한 추력 발생하게 되는 장점을 갖게 되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 보이스코일 모터의 결합관계를 보인 분해사시도.
도 2는 본 발명의 나노인 덴터용 보이스코일 모터의 설계를 위한 기본 구조를 보인 참고도.
도 3은 본 발명에 따른 보이스코일 모터의 영구자석 설계과정을 보인 흐름도.
도 4는 도 3의 자속의 path에 따른 공극 자속밀도 편차를 산출하기 위한 참고도.
도 5는 도 3의 영구자석 자기 등가회로도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
200 : 중앙요크 201 : 외부요크
202,203 : 영구자석 204 : 코일
205 : 스프링 207 : 보빈
208,209 : 공극

Claims (4)

  1. 보이스코일 모터에서 미소추력을 발생하기 위한 영구자석의 설계 방법에 있어서,
    상기 모터의 전체 크기와 코일의 권수 및 영구자석의 크기를 결정하는 제 1단계;
    상기 영구자석의 크기를 변화시켜 임의의 자속밀도를 가정하는 제 2단계;
    상기 제 2단계에서 가정된 값을 통해, 각 부분의 자속밀도 및 비선형 B-H 곡선을 적용하여 자속밀도 및 비선형 B-H곡선을 산출하는 제 3단계;
    상기 제 3단계에서 산출된 값을 수렴판정 및 투자율을 재산정하는 제 4단계;
    상기 제 1에서 제 4단계를 여러 번 반복을 통해 상기 자속밀도 및 비선형 B-H곡선의 실제 값을 산출하는 제 5단계;
    상기 영구자석의 실제 크기를 결정하는 제 6단계;
    상기 중앙요크와 좌우 보조요크의 좌우측양단 및 영구자석과의 사이에 형성되는 공극(208), (209)에서의 자속밀도 편차를 구하여 그 자속밀도 편차에 의한 미소추력을 발생하도록 상기 좌우외부요크(201)의 중앙에서 위쪽 또는 아래쪽으로 소정길이 벗어나게 배열시켜 영구자석의 위치를 결정하는 제 7단계;
    전류에 따른 가동자인 코일의 추력을 산출하는 제 8단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 보이스코일 모터 설계방법.
  2. 삭제
  3. 서로 대향하게 배치된 영구자석(202), (203)의 좌우측에 고정된 좌우 외부요크(201)와, 상하부에 코일(204)이 권선된 보빈(207)이 내입되어 고정된 중앙요크(200) 및 상기 보빈(207)의 좌우측으로 복수개의 리프 스프링(205)으로 하우징(206)내에 안착되어 고정된 보이스코일 모터에 있어서,
    상기 중앙요크(200) 및 좌우 외부요크(201)의 상하부와, 상기 영구자석(202), (203)과의 사이에 일정한 두개의 공극(208), (209)을 두되, 상기 영구자석(202), (203)의 위치를 상기 좌우외부요크(201)의 중앙에서 위쪽 또는 아래쪽으로 소정길이 벗어나게 배열시켜 공극(208), (209)에서의 자속밀도 편차에 의한 미소추력을 발생하도록 하는 구성한 것을 특징으로 하는 보이스코일 모터.
  4. 삭제
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FEM해석에 의한 보이스 코일 평판형 LOA설계. *
경계요소법을 이용한 보이스 코일 모터의 형상 최적 설계 *

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