KR100936962B1

KR100936962B1 - 모터 회전자의 위치를 감지하는 센서모듈을 구비한핸드피스

Info

Publication number: KR100936962B1
Application number: KR1020080068252A
Authority: KR
Inventors: 이익재
Original assignee: 이익재
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2010-01-14

Abstract

본 발명은 모터 회전자의 회전위치를 감지하여 상기 회전자를 제어할 수 있는 핸드피스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동부를 이루는 모터의 회전자의 후단에 N극과 S극을 가지는 센서마그넷을 구성하고, 상기 회전자의 회전위치에 따라 센서마그넷의 극성을 감지하는 극성센서를 구비한 센서모듈을 상기 하우징 후단에 일체로 구성하며, 상기 하우징과 전방 마감캡을 나사 결합하도록 구성하고, 상기 센서모듈에 회전자를 지지하는 베어링이 안착하는 안착홈을 형성하여 상기 회전자를 전방으로 탈착하도록 구성하고, 상기 센서모듈은 회전자의 축 후단에 결합하는 베어링이 안착되는 안착홈을 내부에 구성한 원통형의 모듈체를 구성하되, 상기 회전자의 후단에 구성된 센서마그넷이 위치하는 모듈체의 내주연에는 120°의 간격마다 센서마그넷의 극성을 감지하는 극성센서를 구성하여, 회전자가 저속으로 회전하여도 고토크를 낼 수 있도록 제어 가능할 뿐만 아니라 상기 회전자의 회전속도와 회전횟수 및 회전각을 정밀하게 제어 가능하고, 또한 상기 회전자를 전방측으로 탈착하도록 구성하여, 회전자의 회전을 돕는 베어링의 교체가 용이한 모터 회전자의 위치를 감지하는 센서모듈을 구비한 핸드피스를 제공한다.

핸드피스, 고토크, 센서마그넷, 센서모듈, 극성센서

Description

모터 회전자의 위치를 감지하는 센서모듈을 구비한 핸드피스{Handpiece that equip sensor module that sense position of motor rotor}

본 발명은 모터 회전자의 위치를 감지하는 센서모듈을 구비한 핸드피스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동부를 이루는 모터의 회전자의 후단에 N극과 S극을 가지는 센서마그넷을 구성하고, 상기 회전자의 회전위치에 따라 센서마그넷의 극성을 감지하는 극성센서를 구비한 센서모듈을 상기 하우징 후단에 일체로 구성한 것과, 상기 하우징과 전방 마감캡을 나사 결합하도록 구성하고, 상기 센서모듈에 회전자를 지지하는 베어링이 안착하는 안착홈을 형성하여 상기 회전자를 전방으로 탈착하도록 구성하고, 상기 센서모듈의 모듈체를 구성하되, 상기 회전자의 후단에 구성된 센서마그넷이 위치하는 모듈체의 내주연에는 120°의 간격마다 센서마그넷의 극성을 감지하는 극성센서를 구성하여, 상기 회전자가 저속으로 회전하여도 고토크를 낼 수 있도록 제어 가능하고, 상기 회전자의 회전속도와 회전횟수 및 회전각을 정밀하게 제어 가능하며, 또한 상기 회전자를 전방측으로 탈착하도록 구성하여, 회전자의 회전을 돕는 베어링의 교체가 용이한 모터 회전자의 위치를 감지하는 센서모듈을 구비한 핸드피스에 관한 것이다.

일반적으로 공예용 핸드피스와 치과용 핸드피스에 사용되는 모터는 사용자가 핸드피스를 한 손으로 잡고 가공, 시술하기가 편리하도록 전체적인 부피가 작고, 모터의 회전력이 강하면서 고속회전을 할 수 있어야 하는 것이 필수이다.

이와 같은 종래의 핸드피스의 구성을 크게 구분하면 종단에 일체로 구성된 척을 고속회전하도록 하는 스핀들부와, 상기 스핀들부에 회전력을 전달하는 모터를 내장한 구동부로 구성하는데, 상기 스핀들 끝단에 툴을 장착하는 척을 구성하여, 구동부에서 스핀들에 회전력을 가하면 툴을 장착하고 있는 척이 고속으로 회전하여 가공물을 가공하게 된다.

상기와 같은 종래의 핸드피스는 모터의 특성상 그라인딩 기능을 수행하였는데, 최근에는 임플란트 시술에 의해 그에 따른 기공을 해야만 하였는데, 상기 임플란트 기공에는 정밀도를 요하는 밀링작업이 수반되었다.

그러나 상기와 같은 종래 핸드피스는 고회전에 따른 그라인딩 기능 밖에 수행할 수 없어 밀링 기능을 수행하지 못하는 한계가 있었고, 또한 상기 구동부를 이루는 모터의 회전자는 고속으로 회전함에 따라 상기 회전자의 축을 지지하는 베어링의 파손이 잦았는데, 상기 베어링의 파손이 발생하면 핸드피스를 각각의 제조사에 보내어 베어링 교체 작업을 할 수밖에 없었다.

따라서 본 발명은 종래의 핸드피스에서 도출된 문제점인 종래의 구동부 구조로는 고토크의 힘을 얻지 못해 임플란트 기공작업에 필요한 밀링작업을 할 시 별도의 밀링 기능을 수행하는 장치를 구매하여 밀링 기능을 수행해야만 하는 문제점과, 회전자의 위치제어가 불가능해 단순한 그라인딩 기능만 수행할 수밖에 없었던 문제점을 해결하고자 한다.

또한 고속으로 회전하는 회전자에 의해 상기 회전자를 지지하는 베어링의 파손이 잦았으나, 이를 교체하기 용이하지 않았던 점을 해결하고자 한다.

상술한 문제점에 의해 본 발명은 구동부를 이루는 모터의 회전자(30)의 후단에 N극과 S극을 가지는 센서마그넷(33)을 구성하고, 상기 회전자(30)의 회전위치에 따라 센서마그넷(33)의 극성을 감지하는 극성센서(41)를 구비한 센서모듈(40)을 상기 하우징(10) 후단에 더 포함하여 일체로 구성한 것과;

상기 하우징(10)과 전방 마감캡(70)을 나사 결합하도록 구성하고, 상기 센서모듈에 회전자(30)를 지지하는 베어링(50b)을 안착하는 안착홈(43)을 형성하여 상기 회전자(30)를 전방으로 탈착하도록 구성하고, 상기 센서모듈(40)은 회전자(30)의 축(31) 후단에 결합하는 베어링(50b)이 안착되는 안착홈(43)을 내부에 구성한 원통형의 모듈체(42)를 구성하되, 상기 회전자(30)의 후단에 구성된 센서마그넷(33)이 위치하는 모듈체(42)의 내주연에는 120°의 간격마다 센서마그넷(33)의 극성을 감지하는 극성센서(41)를 구성한 모터 회전자의 위치를 감지하는 센서모듈을 구비한 핸드피스를 제공함으로써, 종래의 문제점을 해소하는 것을 그 목적으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 핸드피스의 회전자에 N극과 S극을 자력을 발하는 센서마그넷을 구성하고, 상기 센서마그넷의 극성을 감지하는 센서모듈을 하우징의 후단에 일체로 본딩하여, 상기 회전자의 회전위치를 검출하도록 함으로써, 회전자가 저속으로 회전하여도 고토크를 낼 수 있도록 제어 가능한 효과를 가지고, 회전자의 회전속도와 회전횟수 및 회전각을 정밀하게 제어 가능한 효과를 가지며, 또한 상기 회전자를 전방측으로 탈착하도록 구성하여, 회전자의 회전을 돕는 베어링의 교체가 용이한 효과를 가진 신규한 발명이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전체적인 구성을 살펴보면 다음과 같다.

도 1에 도시한 바와 같이 핸드피스(100)의 구동부를 이루는 원통형의 하우징(10)을 구성하고, 상기 하우징(10) 내에 삽입되어 외부의 전원을 받아 구동하는 모터를 구성한다.

상기 모터는 V상,U상,W상의 코일(도시하지 않음)을 권선하고 있는 원통형의 보빈(20)을 구성하고, 상기 원통형의 보빈(20) 내에 삽입되어 상기 V상,U상,W상의 코일(도시하지 않음) 각각에 인가되는 신호에 따라 회전하는 회전자(30)를 구성한다.

상기 회전자(30)는 스핀들(도시하지 않음)에 회전력을 전달하는 축(31)과 상기 축(31)의 외면에는 일체로 구성되어 상기 V상,U상,W상의 코일(도시하지 않음)에서 발생하는 자력에 의해 밀리거나 당겨져 축(31)을 회전시키는 자성체(32)로 이루어진다.

이때 상기 회전자(30)는 자성체(32)의 후단에는 센서마그넷(33)을 구성하는데, 상기 센서마그넷(33)은 자성체(32)와 마찬가지로 자성을 띄고 있으며, 회전자(30)와 같은 극성으로 배치하고, 센서모듈(40) 내에 삽입 위치하여 센서모듈(40)에 구성된 극성센서(41)의 센싱 결과에 따라 상기 회전자(30)의 위치를 알 수 있다.

그리고 상기 회전자(30)의 축(31) 전,후단에 각각 결합되어 상기 회전자(30)를 지지하는 베어링(50a,50b)을 구성하고, 상기 하우징(10)의 전,후방 내부에 각각 체결되어 상기 보빈(20)이 상기 하우징(10) 내부에서 유동하거나, 이탈하지 못하도록 고정하는 링볼트(60a,60b)를 구성하며, 상기 하우징(10)의 전단에 나사결합하여 하우징(10)의 전단을 마감하는 마감캡(70)을 구성한다.

그리고 상기 하우징(10)의 후단에 결합구성되어 상기 회전자(30)의 후단에 구성된 센서마그넷(33)의 회전각에 따라 상기 회전자(30)의 위치(회전각)를 파악하 는 센서모듈(40)을 구성하는데, 상기 센서모듈(40)은 회전자(30)의 축(31) 후단에 결합하는 베어링(50b)이 안착되는 안착홈(43)을 내부에 구성한 원통형의 모듈체(42)를 구성하는데, 상기 안착홈(43)에 의해 축(31)에 베어링(50b)을 결합한 회전자(30)가 결합되어 상기 베어링(50b)이 안착홈(43)에 지지되어 상기 회전자(30)가 항상 보빈(20)과 일률적인 간격을 유지하도록 함과 동시에 상기 회전자(30)를 전방측으로 탈착이 용이하도록 한다.

그리고 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이 상기 회전자(30)의 후단에 구성된 센서마그넷(33)이 위치하는 모듈체(42)의 내주연에는 120°의 간격마다 상기 센서마그넷(33)의 극성을 감지하는 극성센서(41)를 구성한다.

상기 모듈체(42)의 후방에는 다수개의 접속핀(45)을 구비한 PCB기판(44)을 결합하는데, 상기 PCB기판(44)과 보빈(20)에 권선되어 있는 V상,U상,W상의 코일(도시하지 않음)이 연결되고, 상기 극성센서(41)도 납땜으로 연결된다.

그리고 접속핀(45)에는 외부의 전원을 인가받는 접속케이블(80)을 끼워 결합하고, 상기 접속케이블을 내부에 수용하여 상기 하우징(10)에 나사 결합하는 후단캡(90)을 구성한다.

그리고 상기 회전자(30)의 축(31) 전단에 끼워져 상기 회전자(30)가 보빈(20) 내부에 정해진 위치에 위치하도록 회전자(30)의 위치를 보정하는 예압스프링(34)을 구성한다.

이하, 본 발명의 바람직한 조립순서 및 실시예를 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이 먼저 핸드피스(100)의 몸체인 원통형의 하우징(10)에는 V상,U상,W상의 코일을 각각 권선하고 있는 보빈(20)을 삽입한다.

이때 상기 하우징(10)의 후방 내측에는 보빈(20)을 안착하는 걸림턱(도시하지 않음)을 형성하고 있는데, 상기 걸림턱(도시하지 않음)에 보빈(20)이 안착할 때까지 전방에서 후방으로 밀어 넣는다.

여기서 V상,U상,W상의 코일이 도 2와 같이 위치하도록 보빈을 삽입하여 고정하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 보빈(20)이 전방으로 빠지지 않도록 링볼트(60a)를 하우징(10)의 전방에서 후방으로 체결하여 상기 보빈(20)이 상기 하우징(10) 내부에서 유동하지 못하도록 단단히 고정한다.

다음으로 상기 보빈(20)을 내부에 수용한 하우징(10)의 후단에는 회전자(30)의 센서마그넷(33) 극성을 센싱하는 센서모듈(40)을 결합하는데, 이때 상기 하우징(10)과 일체화되도록 본딩하는 것이 바람직하다.

상기 센서모듈(40)을 하우징(10)에 본딩하기 전 먼저 상기 보빈(20)에 감겨 있는 V상,U상,W상의 코일을 상기 센서모듈(40)의 PCB기판(44)에 나타나 있는 V상,U상,W상의 코일선을 납땜홀(도시하지 않음)을 통과시킨 후 납땜하여 V상,U상,W상의 코일(도시하지 않음)과 센서모듈(40)을 서로 연결한다.

이때 상기 코일선의 여유를 두고 납땜하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 보빈(20)에는 회전자(30)를 삽입하는데, 상기 회전자(30)의 회전을 돕는 베어링(50a,50b)을 상기 회전자(30) 축(31)의 전,후단에 각각 결합한 후 상기 보빈(20)에 회전자(30)를 삽입한다.

이때 상기 축(31)의 전단에 결합하는 베어링(50a) 결합하기 전 상기 축(31)에는 예압스프링(34)을 끼우는데, 상기 베어링(50a)과 예압스프링(34)이 서로 간섭하지 않도록 격벽 역할을 하는 와샤(도시하지 않음)를 끼운다.

따라서 상기 회전자(30)가 보빈(20) 내에서 고속으로 회전함에 전방으로 이탈하려 하여도 상기 예압스프링(34)의 탄성에 의해 곧바로 회전자(30)가 보빈(20) 내부의 정위치로 복귀하게 될 뿐만 아니라 베어링(50a)에 간섭을 주지 않아 베어링(50a)의 수명이 연장되는 효과를 발한다.

그리고 상기 센서모듈(40)을 오실로스코프에 연결하여 센서모듈(40)의 출력 파형을 확인하면서 상기 센서모듈(40)을 시계방향 또는 역방향으로 조금씩 회전시키는데, 상기 센서모듈(40)의 적정한 출력 파형이 나오면 상기 하우징(10)에 형성되어 있는 볼트공(11)에 볼트(a)를 체결하여, 상기 센서모듈(40)을 임시고정한다.

이때 상기 센서모듈(40)을 적정한 각도로 회전시킴으로써, 그에 따른 출력 파형을 얻을 수 있다.

그리고 링볼트(60b)를 상기 하우징(10)의 후단에 후방에서 전방으로 체결하여, 센서모듈(40)을 단단히 고정한 후 상기 센서모듈(40)과 하우징(10)이 일체화되도록 공지의 본드를 이용하여 본딩한다.

그리고 본드가 경화되면 임시로 센서모듈(40)을 고정하고 있는 볼트(a)를 빼내어 상기 하우징(10)에서 제거한다.

그리고 상기 하우징(10) 전단에 마감캡(70)을 나사 결합하여 핸드피스(100) 의 조립을 마감하게 된다.

본 발명에 따른 실시예를 살펴보면, 상기 모터는 공지의 인버터회로에 의해 회전자가 V상,U상,W상의 코일을 권선하고 있는 보빈 내에서 회전을 하게 되는데, 도 4를 참조하여 살펴보면 상기 인버터는 제1스위치(SW1)와 제4스위치(SW4)가 짝지워져 동작하고, 제2스위치(SW2)와 제5스위치(SW5)가 짝지워지며, 제3스위치(SW3)와 제6스위치(SW6)가 짝지워져 동작한다. 즉, 상위스위치와 하위스위치가 하나씩 짝지워져 동작한다. 이때, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2) 및 제3스위치(SW3)는 상위(upper)스위치이고, 제4스위치(SW4)와 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)는 하위(lower)스위치이다.

상위스위치가 도통하면 모터의 코일에는 하이(high)의 전압이 인가되고, 하위스위치가 도통하면 모터의 코일에는 로(low)의 전압이 인가되며, 둘 다 차단되면 모터의 코일에는 오픈상태(Open Phase)가 된다.

먼저 제1스위치에 하이(high)의 제어신호를 인가하면 제1스위치가 도통(turn on)되어 U코일에 하이(High)의 전압이 인가한다. 상기 제1스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제6스위치에 하이(high)의 제어신호가 인가되어 제6스위치가 도통한다.

그러면, W코일에 로(low)의 전압이 인가되어 상술한 과정에 의해 U코일에 발생되었던 자기력의 반대 극성을 가진 자기력이 W코일에 발생한다.

즉, 만약 U코일에 N극의 자기력이 발생하면, W코일에는 S극의 자기력이 발생한다. 이러한 코일에 발생한 자기력에 의해 상기 회전자는 60°회전한다.

그리고 제6스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제1스위치는 차단(turn off)되고, 제2스위치가 도통(turn on)한다.

그러면, V코일에 하이(high)의 전압이 인가되어 상술한 과정에 의해 W코일에 발생되었던 자기력의 반대 극성을 가진 자기력이 V코일에 발생한다.

따라서 V코일과 W코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 다시 60°회전한다.

그리고 제2스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제6스위치는 차단되고, 제4스위치가 도통한다.

그러면, U코일에 로(low)의 전압이 인가되어 제1스위치가 도통하였을 때 발생하였던 자기력의 반대 극성을 가진 자기력이 U코일에 발생한다. 상기 U코일의 자기력과 V코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 다시 60°회전한다.

제4스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제2스위치는 차단되고, 제3스위치가 도통한다.

그러면, W코일에 하이(high)의 전압이 인가되어 제6스위치가 도통하였을 때 발생되었던 자기력의 반대 극성을 가진 자기력이 W코일에 발생한다.

상기 W코일의 자기력과 U코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 60°회전한다.

제3스위치가 도통된 상태를 유지하는 동안, 제4스위치는 차단되고, 제5스위치가 도통한다.

그러면, V코일에 로(low)의 전압이 인가되어 제2스위치가 도통되었을 때 발생되었던 자기력의 반대 극성을 가진 자기력이 V코일에 발생한다.

상기V코일의 자기력과 W코일의 자기력에 의해 모터의 회전자는 60°회전한다.

상술한 것과 같이 제1스위치부터 제6스위치가 번갈아 도통되었다가 차단되는 반복적인 인버터 과정에 의해 상기 회전자(30)가 상기 보빈(20) 내부에서 회전하여 모터가 구동한다.

상기와 같은 회전자(30)의 회전에 의해 상기 센서마그넷(33)도 동시에 회전하게 되는데, 상기 센서모듈(40) 내부에 구성된 120°으로 각각 구성하고 있는 극성센서(41)에 의해 회전자(30)의 위치를 검출할 수 있는 것이다.

도면을 참조하여 회전자의 위치(회전위치)를 검출하는 과정을 살펴보면, 예로 회전자가 30°의 각도로 회전하면 1번 센서에서는 S극이 감지되고, 2번과 3번 센서에서는 N극이 감지된다.

그리고 회전자가 30°에서 60°회전한 90°에 위치에서는, 1번과 2번 센서에서는 S극의 극성이 감지되고, 3번 센서에서는 N극의 극성이 감지된다.

그리고 90°에서 60°회전한 150°에 위치에서는 1번, 3번 센서에서는 N극의 극성이 감지되고, 2번 센서에서는 S극의 극성이 감지된다.

상기와 같은 1번과 2번, 3번의 센서에서 감지한 극성을 서로 조합하여 회전자의 위치를 검출할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 핸드피스의 구성을 보인 예시도

도 2는 본 발명에 따른 센서마그넷과 극성센서의 구성을 보인 예시도

도 3은 본 발명에 따른 핸드피스의 하우징 후단의 구성을 보인 단면도

도 4는 본 발명에 따른 회전자의 위치를 감지하는 실시예를 보인 예시도

<도면 각 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 하우징 20: 보빈 30: 회전자

31: 축 32: 자성체 33: 센서마그넷

40: 센서모듈 41: 극성센서 42: 모듈체

43: 안착홈 44: PCB기판 45: 접속핀

50a,50b: 베어링 60a,60b: 링볼트 70: 마감캡

Claims

구동부의 몸체를 이루는 원통형의 하우징(10)과, V상,U상,W상의 코일(도시하지 않음)을 권선하고 있는 원통형의 보빈(20)과, 상기 원통형의 보빈(20) 내에 삽입되어 상기 V상,U상,W상의 코일(도시하지 않음) 각각에 인가되는 신호에 따라 회전하는 회전자(30)로 구동부를 이루고 있는 핸드피스(100)를 구성함에 있어서,

상기 구동부를 이루는 모터의 회전자(30)의 후단에 N극과 S극을 가지는 센서마그넷(33)을 구성하고, 상기 회전자(30)의 회전위치에 따라 센서마그넷(33)의 극성을 감지하는 극성센서(41)를 구비한 센서모듈(40)을 상기 하우징(10) 후단에 더 포함하여 일체로 구성한 것과;

상기 하우징(10)과 전방 마감캡(70)을 나사 결합하도록 구성하고, 상기 센서모듈에 회전자(30)를 지지하는 베어링(50b)을 안착하는 안착홈(43)을 형성하여 상기 회전자(30)를 전방으로 탈착하도록 구성함을 특징으로 하는 모터 고정자의 위치를 감지하는 센서모듈을 구비한 핸드피스.
청구항 1에 있어서,

상기 센서모듈(40)은 회전자(30)의 축(31) 후단에 결합하는 베어링(50b)이 안착되는 안착홈(43)을 내부에 구성한 원통형의 모듈체(42)를 구성하되, 상기 회전자(30)의 후단에 구성된 센서마그넷(33)이 위치하는 모듈체(42)의 내주연에는 120 °의 간격마다 센서마그넷(33)의 극성을 감지하는 극성센서(41)를 구성함을 특징으로 하는 모터 고정자의 위치를 감지하는 센서모듈을 구비한 핸드피스.