KR100542851B1

KR100542851B1 - 베어링 없는 마이크로 유도모터

Info

Publication number: KR100542851B1
Application number: KR1020030048514A
Authority: KR
Inventors: 김승종; 윤의성; 이종민; 김동연
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2006-01-20
Also published as: KR20050009309A

Abstract

본 발명은 회전자를 지지하기 위한 베어링을 삭제하고도 정전기력을 이용하여 회전자의 위치를 정밀하게 제어할 수 있는 베어링 없는 마이크로 유도모터에 관한 것이다. 회전자와, 회전자를 둘러싸며 상전압이 인가되는 다수의 전극으로 이루어진 고정자가 구비되고, 회전자는 고정자에서 발생된 정전기력에 의해 고정자의 중심위치에서 회전한다. 다수의 고정자 전극은 4 이상의 그룹으로 구획된다. 회전자의 주위에는 4개 이상의 센서 전극이 구비되고, 고정자 전극에 인가된 상전압 및 제어전압에 의해 회전자의 전위가 소정값을 가질 때 회전자와 센서 전극 사이에 흐르는 전류를 상호 대향하는 한 쌍의 센서 전극에서 각각 측정하고, 측정된 두 전류값의 차와 합의 비를 계산하여 회전자의 변위를 측정한다. 제어부는 측정된 회전자의 변위를 입력받아, 고정자 전극에서 발생하는 정전기력의 벡터합이 회전자를 중심위치로 복귀시킬 수 있는 방향과 크기를 갖도록 제어전압을 산출하여 상전압에 감산 및 가산한 후 전극에 인가함으로써 회전자의 위치를 제어한다.

유도모터, 정전기력, 상전압, 제어전압, 센서 전극

Description

베어링 없는 마이크로 유도모터{Bearingless Micro Induction Motor}

도 1은 정전기력을 이용하는 종래의 원판형 유도모터를 보인 사시도,

도 2는 종래의 유도모터의 구동원리를 보인 도면,

도 3은 종래의 유도모터를 구동하기 위한 구형파 형태의 3상 전압을 보인 도면,

도 4는 본 발명에 따른 베어링 없는 마이크로 유도모터의 평면도,

도 5는 본 발명에 따른 베어링 없는 마이크로 유도모터의 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 베어링 없는 마이크로 유도모터의 단면과 전극 배선을 개략적으로 보인 도면,

도 7은 본 발명에 따른 베어링 없는 마이크로 유도모터를 구동하기 위한 3상 전압을 보인 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

12: 회전자

14: 고정자

16: 센서 전극

본 발명은 마이크로 유도모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베어링을 삭제하고도 회전자의 위치제어를 정밀하게 수행할 수 있도록 하는 베어링 없는 마이크로 유도모터에 관한 것이다.

최근까지, 대략 1mm보다 작은 마이크로 모터를 구현하기 위한 많은 원리와 구조가 소개되고 있는데, 그들 대부분은 고정자와 회전자 사이에 정전기력 또는 전자기력을 이용한다. 그러나, 모터의 크기가 축소됨에 따라 전자기력은 감소하는 반면, 정전기력은 축소에 관계없이 일정하기 때문에 마이크로 크기의 모터에서 상대적으로 큰 힘을 낼 수 있다. 또한, 전자기력형 모터의 경우는 자장을 형성하기 위한 코일이 필수적인데 마이크로 크기의 코일을 적절히 구현하기란 대단히 어려운 작업이다. 따라서 정전기력을 이용하는 마이크로 모터에 대한 연구가 더욱 활발하게 이루어지고 있다.

도 1 및 도 2는 정전기력을 이용하는 종래의 원판형 마이크로 유도모터의 구조를 보인 사시도 및 구동 원리도이다.

고정자(4) 전극에 전압이 인가되면, 고정자(4)의 상부에 위치한 회전자(2)의 표면에는 전하가 충전되어 고정자 전극과의 사이에 정전기력, 즉 인력이 발생하게 된다. 도 3과 같이 소정의 온 타임(7, ON time) 대 오프 타임(8, OFF time), 즉 소정의 듀티 사이클(duty cycle)을 가지는 구형파 형태의 적절한 상전압(U,V,W)을 인가하면 회전자(2)가 그에 이끌리어 회전하게 된다. 물론, 상전압은 구형파와 정현파 전압을 모두 사용할 수 있다.

이러한 마이크로 유도모터에 있어서, 대표적으로 직면하고 있는 기술적인 문제는 베어링 기술이다. 종래의 마이크로 유도모터를 위한 베어링으로는 부시(bush) 베어링 또는 핀을 사용하는 사례가 가장 많은데, 이 경우는 마찰이나 마모에 의해 기계수명이 단축되거나, 심한 경우 스틱션(stiction) 현상 또는 파손이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 이를 피하기 위해 회전자와 핀 사이의 간극을 넓히는 경우에는 진동이 발생하여 정밀구동이 불가능하게 되는 문제점이 있다.

한편, 공기베어링(6)을 사용하는 경우도 있는데, 이는 구조가 복잡하고 제작이 어려우며, 진공 패킹이 필요한 경우가 발생하는 등 적용 환경에 따라 사용이 불가능한 경우가 있다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 회전자를 지지하기 위한 베어링을 삭제하고도 정전기력을 이용하여 회전자의 위치를 정밀하게 제어할 수 있는 베어링 없는 마이크로 유도모터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 회전자와, 회전자를 둘러싸며 상전압이 인가되는 다수의 전극으로 이루어진 고정자를 포함하고, 회전자는 고정자에서 발생된 정전기력에 의해 고정자의 중심위치에서 회전하는 마이크로 유도모터에 있어서, 고정자의 다수의 전극은 4 이상의 그룹으로 구획되고, 중심위치로부터의 회전자의 반경방향 변위를 측정하기 위한 수단과, 측정된 회전자의 변위를 입력받아, 전극에서 발생하는 정전기력의 벡터합이 회전자를 중심위치로 복귀시킬 수 있는 방향과 크기 를 갖도록 제어전압을 산출하여 상전압에 감산 및 가산한 후 전극에 인가하기 위한 제어부를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 회전자의 변위를 측정하기 위한 수단은 회전자의 주위에 구비된 4개 이상의 센서 전극으로 이루어지고, 고정자 전극에 인가된 상전압 및 제어전압에 의해 회전자의 전위가 소정값을 가질 때 회전자와 센서 전극 사이에 흐르는 전류를 상호 대향하는 한 쌍의 센서 전극에서 각각 측정하고, 측정된 두 전류값의 차와 합의 비를 계산하여 변위를 측정한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 회전자의 변위를 측정하기 위한 수단은 고정자의 다수의 전극 중 상전압이 비인가된 상태의 휴면 전극으로 이루어지고, 고정자 전극에 인가된 상전압 및 제어전압에 의해 회전자의 전위가 소정값을 가질 때 회전자와 휴면 전극 사이에 흐르는 전류를 상호 대향하는 한 쌍의 휴면 전극에서 각각 측정하고, 측정된 두 전류값의 차와 합의 비를 계산하여 변위를 측정한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 4 및 도 5는 각각 본 발명에 따른 베어링 없는 마이크로 유도모터의 평면도 및 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 베어링 없는 마이크로 유도모터의 단면과 전극 배선을 보인 도면이다.

이들에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 베어링 없는 마이크로 모터는 회전자(12)와, 회전자(12)의 주위를 둘러싸는 고정자(14)로 구성된다. 회전자(12)는 원판 또는 원통 형상의 유리재질로 이루어지고, 고정자(14)는 다수의 전극으로 이루어져 있다.

본 실시예에서는, 고정자(14)의 전극은 12개로 구비되고, 4개의 그룹으로 구획되어 3상 전압을 인가받는다.

설명의 편의를 위해, 도 4에서 각 고정자(14) 전극을 P_ab로 명명하였다. 여기서 a는 상을 구분하기 위한 것이고, b는 그룹을 구분하기 위한 것이다. 또한, 기호 U, V, W는 모터의 회전을 위하여 고정자(14) 전극에 인가되는 3상 전압을 나타내고, 기호 α, β는 회전자(12)의 위치를 제어하기 위하여 3상 전압에 가감되는 제어 전압이다. 고정자(14)의 전극의 개수를 본 실시예보다 많이 형성하는 경우에는, 4개 이상의 그룹으로 구획하여 제어할 수도 있다.

또한, 본 발명의 마이크로 유도모터는 회전자(12)의 변위를 측정하기 위한 수단(16)이 구비되는데, 이는 후에 설명하기로 한다.

도 6에서 미설명 부호 18은 중공의 원통형 베이스로서, 그 내주면을 따라 고정자(14) 전극이 고정되고, 고정자(14) 전극에 의해 일정한 공극을 두고 둘러싸여지는 회전자(12)의 하부를 지지한다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 베어링 없는 마이크로 유도모터의 작용효과를 설명하기로 한다.

어느 하나의 상(phase)의 고정자(14) 전극들(예를 들어, P_U1 내지 P_U4)에 전압이 인가되면, 고정자(14) 전극과 마주보는 위치의 회전자(12)의 표면에 고정자 전극과 반대 극성의 전극이 형성되어 고정자(14) 전극들과의 사이에 정전기력, 즉 인력이 발생하게 된다. 이후, 전압이 인가되던 고정자(14) 전극이 오프(OFF)되고 다음 상(phase)의 고정자 전극들(예를 들어, P_V1 내지 P_V4)이 온(ON)되면, 회전자(12)의 표면에 기 형성되어 있던 전극과의 정전기력에 의해 회전자(12)가 소정 각도 회전함과 동시에, 온(ON)상태의 고정자 전극에 대향하는 회전자(12)의 표면에는 새로운 전극이 형성된다. 즉, 고정자(14) 전극(P_U1,P_V1,P_W1 내지 P_U4,P_V4,P_W4)에 소정의 온 타임(ON time) 대 오프 타임(OFF time), 즉 소정의 듀티 사이클(duty cycle)을 가지는 구형파 형태의 적절한 상전압(U,V,W)(도 3참조)을 각각 인가하면, 회전자(12)는 고정자(14)의 U상 전극(P_U1 내지 P_U4), V상 전극(P_V1 내지 P_V4), W상 전극(P_W1 내지 P_W4)과의 사이에 순차적으로 발생하는 정전기력에 의해 고정자(14)의 중심위치에서 회전하게 된다. 물론, 상전압은 구형파와 정현파 전압을 모두 사용할 수 있다.

동시에, 변위측정수단(16)은 상기 중심위치로부터 회전자(12)의 반경방향 변 위를 측정하고, 측정된 회전자(12)의 변위는 제어부(미도시)로 입력된다. 제어부는 회전자(12)의 변위를 인식하고, 중심위치로의 회전자 복귀에 필요한 복원력을 계산한다. 이 복원력은 회전용 상전압이 인가되고 있는 고정자 전극의 위치에 따라 좌표 분리된 후, 제어전압 α와 β로 환산되어 상전압에 감산 또는 가산된다.

제어부는 비례미분제어기(Proportional-Derivative Controller) 등을 비롯하여 다양한 제어방식을 채택할 수 있으며, 회전자(12)의 위치제어는 회전구동과는 독립적으로 진행된다.

도 4를 참조하여 회전자(12)의 위치제어를 예를 들어 더욱 상세히 설명하면, U상 전극에 회전용 상전압이 인가되고 있는 상태에서, 회전자(12)가 우측으로 이동하여 P_V1 전극과의 간극이 가장 좁다고 판단되면, 회전자(12)를 중심위치로 복귀시키기 위해서는 좌측으로 작용하는 적절한 복원력, 즉 인력을 발생시켜야 한다. 측정된 회전자(12)의 변위로부터 복원력의 크기가 제어부에서 계산되면, 현재 회전용 상전압이 인가되고 있는 전극이 U상이므로, P_U1, P_U2, P_U3, P_U4전극들에서 발생하는 힘을 조절하여 복원력의 크기와 방향을 적절하게 구현할 수 있게 된다. 즉, 복원력을 P_U1전극과 P_U3전극이 이루는 방향과 P_U2전극과 P_U4전극이 이루는 방향으로 벡터 분리하고, 각각의 방향에서 그 힘을 발생시킬 수 있는 제어 전압(α,β)를 계산하여 회전용 상전압 U에 가산 또는 감산하는 것이다. 예를 들어, P_U1전극에는 U-β전압, P_U3전극에는 U+β전압, P_U2전극에는 U+α전압, 그리고 P_U4전극에는 U-α전압이 인가되는 방식이다. 회전용 상전압은 정현파와 구형파 전압을 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에서는 회전자의 회전구동과 위치제어를 동시에 수행하기에 유리한 구형파 전압을 사용하는데, 이는 후에 설명하기로 한다. 또한, 제어부는 회전용 상전압의 크기와 회전자(12)의 측방향 고유진동수 및 위치제어의 안정성 등이 반드시 고려되어 설계되어야 한다.

이하에서는, 회전자(12)의 변위를 측정하기 위한 수단 및 그 작용원리에 대해 설명하기로 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 회전자(12)의 둘레에 고정자(14) 전극과는 별도로 4개 이상의 센서 전극(16)이 구비되며, 상호 마주보는 한 쌍의 센서 전극(16)이 그 방향으로의 회전자(12) 변위를 측정한다. 전극 배선 방법을 개략적으로 도시한 도 6을 참조하여 센서 전극(16)의 측정 원리를 설명한다. 고정자 전극에 회전용 상전압(U,V,W) 및 위치 제어전압(α,β)이 인가되면, 회전자(12)는 0이 아닌 소정치의 전위를 갖게 된다. 따라서, 회전자(12)와 센서 전극(16)들 사이에는 전위차가 발생하고 센서 전극(16)을 통해 전류가 흐르게 되는데, 각 센서 전극(16)에서의 정전용량에 따라 흐르는 전류(I)의 크기가 달라진다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, V _rotor 는 회전자(12)와 센서 전극(16) 사이의 전위차이고, C는 간극에 서의 정전용량이며, 아래첨자 left와 right는 각각 좌측 간극 및 우측 간극을 의미한다. 정전용량은 간극에 반비례(

)하므로, 회전자(12)가 중심에 위치하지 않은 경우, 상기 식(1)로부터 좌측과 우측에서 측정된 전류(I)의 크기는 달라지게 된다. 이들 전류(I)를 측정하여 차등회로를 적용하면, 회전자(12)의 전위를 측정하지 않아도 다음과 같이 변위를 측정할 수 있다.

여기서, ε은 간극에서의 유전율, A는 전극의 면적, d는 정상상태의 간극, 그리고 x는 회전자(12)의 이동 변위이다. 상기 식(4)로부터 이상적인 선형 관계를 이용하여 회전자(12)의 변위측정이 가능함을 알 수 있다. 이와 같은 측정 방법에 있어서의 대표적인 특징으로는, 차등 방식(differential type)을 사용하므로 회전자(12)의 전위가 변화하여도 변위 측정치에는 변화가 없다는 장점이 있는 반면, 상기 식(2)와 (3)에서 알 수 있듯이 회전자(12)의 전위가 일정할 경우(

)에는 측정이 불가능하고, 측정된 전류값이 매우 작을 경우에는 식(4)에서 계산 오차가 커질 수 있다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방법으로는, 도 7과 같이, 소정의 듀티 사이클(duty cycle)을 가지며, 온 타임(ON time, 도 3참조)시 쵸핑 펄스(19, chopping pulse)가 형성되되, 그 평균치가 종래의 구형파(도 3참조)와 같도록 설정된 구형파의 파형을 가지는 상전압(U,V,W)을 인가한다. 이와 같이 고주파 성분을 포함하는 구형파 상전압을 고정자(14)에 인가하는 경우, 회전자(12)의 전위가 고주파 성분을 갖게 되므로 상대적으로 저속 회전을 하는 회전자(12)에는 큰 영향을 주지 않으면서 센서 출력을 향상시킬 수 있게 된다. 상세히 설명하면, 소정의 주파수를 갖는 전압이 인가되면, 회전자에는 그에 따른 전기적인 응답, 즉 동일한 주파수의 전위가 발생하지만, 간극에서 발생하는 고주파 정전기력에 의해 회전자가 진동하는 기계적인 응답은 거의 없게 된다. 이는 기계적인 시상수가 전기적 회로의 시상수에 비해 상당히 크기 때문이다. 따라서, 회전자를 회전시키는 구동측면에서는 고주파 성분이 직접 나타나지 않지만, 회전자의 변위를 측정하는 센서측면에서는 전위가 고주파를 가지고 변화하므로 상기 수학식들에 의거하여 변위측정 정밀도가 향상되는 것이다.

또한, 회전자(12)의 변위를 측정하기 위한 또 다른 방법으로서, 상기와 같은 별도의 센서 전극(16) 대신에 고정자(14) 전극중에서 휴면 전극을 센서 전극으로서 활용할 수도 있다. 여기서, 휴면 전극이란 회전용 3상 전압(U,V,W)이 인가되고 있지 않는 전극을 의미한다. 예를 들면, U상에 모터 구동 및 위치 제어용 전압이 인가될 때, 나머지 V상 또는 W상의 전극들을 센서 전극으로 이용하여 상기 식(4)와 같은 방법으로 간극의 변화를 측정하는 것이다. 이를 위하여, 각 고정자 전극의 역할을 구동 모드와 측정 모드로 전환해줄 수 있는 스위치가 필요한데, 이러한 스위치는 구동 모드일 때는 고정자 전극을 전압 증폭기 출력단(미도시)에 연결하고, 측정 모드일 때는 센서 회로 입력단(미도시)에 연결하면 된다. 이와 같이 휴면 상태의 고정자 전극을 센서로 구현하는 경우, 모터의 구조를 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 주어진 모터 크기에서 고정자 전극의 크기를 증대시킬 수 있어 토크와 위치 제어력이 향상될 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 베어링 없는 마이크로 유도모터에 있어서, 회전자를 지지하기 위한 종래의 베어링을 삭제하고도 모터에서 발생하는 정전기력을 제어하여 회전과 동시에 회전자의 위치를 정밀하게 유지할 수 있도록 함으로써, 종래의 베어링에 의한 마찰/스틱션 발생과 베어링 유격에 의한 정밀도 저하의 상호 제한적인 설계조건을 해결할 수 있는 효과가 있다.

또한, 회전자의 변위를 측정하기 위한 센서로서, 고정자의 휴면 전극을 이용하도록 함으로써, 마이크로 모터의 구조를 단순화 및 소형화할 수 있고, 측정 신호의 선형성과 외란에 대한 강건성이 우수하므로, 최근 각광받고 있는 나노 매니퓰레이터, 나노 그립퍼 또는 나노 이송 등의 나노기술분야에서 본 발명의 베어링 없는 마이크로 유도모터를 정밀구동요소로서 활용이 가능한 이점이 있다.

Claims

회전자와, 상기 회전자를 둘러싸며 상전압이 인가되는 다수의 전극으로 이루어진 고정자를 포함하고, 상기 회전자는 상기 고정자에서 발생된 정전기력에 의해 상기 고정자의 중심위치에서 회전하는 마이크로 유도모터에 있어서,

상기 고정자의 다수의 전극은 4 이상의 그룹으로 구획되고,

상기 중심위치로부터의 상기 회전자의 반경방향 변위를 측정하기 위한 수단과,

상기 수단에 의해 측정된 상기 회전자의 변위를 입력받아, 상기 전극에서 발생하는 정전기력의 벡터합이 상기 회전자를 상기 중심위치로 복귀시킬 수 있는 방향과 크기를 갖도록 제어전압을 산출하여 상전압에 감산 및 가산한 후 상기 전극에 인가하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유도모터.
제 1항에 있어서, 상기 회전자의 반경방향 변위를 측정하기 위한 수단은 상기 회전자의 주위에 구비된 4개 이상의 센서 전극으로 이루어지고,

상기 고정자 전극에 인가된 상전압 및 제어전압에 의해 상기 회전자의 전위가 소정값을 가질 때 상기 회전자와 상기 센서 전극 사이에 흐르는 전류를 상호 대향하는 한 쌍의 센서 전극에서 각각 측정하고, 측정된 두 전류값의 차와 합의 비를 계산하여 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유도모터.
제 1항에 있어서, 상기 회전자의 반경방향 변위를 측정하기 위한 수단은 상기 고정자의 다수의 전극 중 상전압이 비인가된 상태의 휴면 전극으로 이루어지고,

상기 고정자 전극에 인가된 상전압 및 제어전압에 의해 상기 회전자의 전위가 소정값을 가질 때 상기 회전자와 상기 휴면 전극 사이에 흐르는 전류를 상호 대향하는 한 쌍의 휴면 전극에서 각각 측정하고, 측정된 두 전류값의 차와 합의 비를 계산하여 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유도모터.
제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 상전압은 소정의 듀티 사이클을 가지며, 온 타임시 쵸핑 펄스가 형성된 구형파의 파형을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 유도모터.
제 3항에 있어서, 상기 고정자의 다수의 전극이 상전압 및 제어전압을 인가받기 위한 구동 모드와 상기 회전자의 변위를 측정하기 위한 측정 모드로 전환가능하도록 구비된 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 유도모터.