KR101135521B1 - 편평형 무정류자 진동모터 - Google Patents

편평형 무정류자 진동모터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 편평형 무정류자 진동모터의 기동불량을 개선하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 편평형 무정류자 진동모터의 구동회로에 있어서; 스위칭 소자들이 두 개씩 직렬 연결되어 하나의 커플을 이루며, 상기 커플 3개가 병렬로 직류전원과 접지사이에 설치되어 상기 직류전원을 스위칭하기 위한 스위칭 소자들; 1 계자코일, 제 2 계자코일 및 직렬 연결된 제 3 계자코일, 제 4 계자코일의 일단이 상기 커플내의 스위칭 소자들의 접속점들에 각각 접속되고, 타단이 Y결선으로 연결되는 계자코일들; 및 상기 Y결선의 결선점에 연결되는 2개의 선에 동시에 전류가 흐르도록 상기 스위칭 소자들을 스위칭시키는 제어부를 포함한다.
진동모터, 바이폴라, 유니폴라, 합성저항, 토크

Description

편평형 무정류자 진동모터{flat type blushless vibration motor}
도 1은 일반적인 3상 유니폴라방식의 모터 구동회로이다.
도 2는 종래의 기동불량을 방지하기 위한 국내 공개특허공보 10-2002-006067
3호의 진동모터의 PCB 기판의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 편평형 무정류자 진동모터의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 적용되는 PCB 기판의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 적용되는 회로도이다.
도 6a는 도 5의 계자코일에 발생되는 역기전력이고, 도 6b는 도 5의 계자코일에 흐르는 전류이고, 도 6c는 도 5의 회전자에 발생되는 토크를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 5의 계자코일에 인가되는 스위칭 로직이다.
도 8은 도 5의 계자코일(C1)의 위치를 변화시킬 때의 토크의 리플을 도시한 그래프이다.
〈 도면의 주요 부호에 대한 설명〉
C1, C2, C3, C4: 계자코일
H1, H2: 홀소자
21: 기판
60: 제어부
P1, P2, P3, P4, P5, P6: 스위칭 트랜지스터
본 발명은 편평형 무정류자 진동모터에 관한 것이다.
휴대폰과 같은 전자장치들이 고기능화 되어짐에 따라서 이들에 내장되는 진동모터는 그에 대응하는 성능, 예를 들어 긴 수명과 높은 응답성은 물론 소형화까지 요구받고 있다. 이러한 진동모터는 통상적으로 계자코일들에 순차적으로 전원이 인가되기 때문에 회로가 간단하여 소형화가 용이한 유니폴라방식이 적용되고 있다.
도 1은 일반적인 3상 유니폴라방식의 모터 구동회로이다.
직류전원(VDC)은 계자코일(C1), (C2), (C3)에 공급되고, 계자코일(C1), (C2), (C3)과 접지사이에는 스위칭 소자(Q1), (Q2), (Q3)가 각각 설치되어져 있으며, 스위칭 소자(Q1), (Q2), (Q3)는 제어부(1)에 의하여 제어된다.
그러나, 위와 같은 3상 유니폴라방식의 모터 구동회로는 제어부(1)가 스위칭 소자(Q1), (Q2), (Q3)를 순차적으로 온/오프 시키는 스위칭 순간에 토크가 0인 시점이 발생될 수 있으며, 이러한 경우 모터가 기동하지 않는 문제를 일으킬 수 있다.
상기 문제를 해소하기 위하여, 국내 공개특허공보 10-2002-0060673호와 같이 기동토크를 보완하는 방법이 제시되고 있다.
도 2는 종래의 기동불량을 방지하기 위한 국내 공개특허공보 10-2002-0060673호의 진동모터의 PCB 기판의 평면도이다.
도 2를 참조하면, 기판에 설치된 계자코일(C1), (C2), (C3)들은 계자코일들 사이의 경계부가 회전축(14)의 중심으로부터 바깥으로 향하는 가상선(O)과 일치하거나 평행하게 되는 경우에 기동불량이 발생하게 되므로, 이를 방지하기 위해 계자코일들의 경계부를 가상선(0)과 틀어지도록 형상화하여 배치하고 있다.
그러나, 이와 같이 구성된 진동모터는 기동토크가 기대한 만큼 크게 구현되지 않기 때문에 기동불량을 충분히 해소하지 못하고 있다.
또한, 상기 특허공보에서는 계자코일들 사이의 경계부를 상, 하로 서로 중첩되도록 하는 구성이 제시되고 있으나, 이러한 구성은 권선 작업 및 제작공정 상 실제 구현하기가 용이하지 않다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, Motor의 회전시 계자코일(C1), (C2), (C3)이 마그넷의 위치에 따라 순차적으로 ON 되기 때문에, 계자코일(C1), (C2), (C3) 각각의 저항이 30Ω 이상 되도록 도체직경이 작은 세선으로 계자코일을 권선하고 있다. 그러나, 이와 같이 계자코일을 세선으로 권선하면 제조 공정상 빈번히 단선이 야기되는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 편평형 무정류자 진동모터의 기동불량을 개선하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 편평형 무정류자 진동모터의 기동불량을 해소하기 위해 토크리플을 최적화하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 편평형 무정류자 진동모터에서 제조공정상에서 발생되는 계자코일의 단선을 방지하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 소모 전류를 낮출 수 있는 편평형 무정류자 진동모터를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 편평형 무정류자 진동모터의 구동회로에 있어서; 스위칭 소자들이 두 개씩 직렬 연결되어 하나의 커플을 이루며, 상기 커플 3개가 병렬로 직류전원과 접지사이에 설치되어 상기 직류전원을 스위칭하기 위한 스위칭 소자들; 1 계자코일, 제 2 계자코일 및 직렬 연결된 제 3 계자코일, 제 4 계자코일의 일단이 상기 커플내의 스위칭 소자들의 접속점들에 각각 접속되고, 타단이 Y결선으로 연결되는 계자코일들; 및 상기 Y결선의 결선점에 연결되는 2개의 선에 동시에 전류가 흐르도록 상기 스위칭 소자들을 스위칭시키는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명은 편평형 무정류자 진동모터에 있어서; 기판상에 회전자의 영구자석의 위치를 판별하기 위하여 복수로 설치된 홀소자들; 상기 기판상에 기판의 중심을 중심으로 반시계방향으로 순차적으로 배치된 제 1 계자코일, 제 2 계자코일, 제 3 계자코일 및 제 4 계자코일을 포함하되, 상기 제 3 계자코일과 제 4 계자코일이 직렬로 연결되고, 상기 제 1 계자코일, 상기 제 2 계자코일, 상기 직렬연 결된 제 3 계자코일과 제 4 계자코일이 3상 바이폴러 구동방식으로 구동되는 것이다.
또한, 본 발명은 편평형 무정류자 진동모터에 있어서; 기판에 설치되어 회전하는 영구자석의 극성을 판별하는 복수의 홀소자들; 직류전원을 스위칭하기 위하여 직렬연결된 2개의 스위칭 소자들이 한 커플을 이루며, 3개의 커플이 병렬 연결된 스위칭 소자들; 1 계자코일, 제 2 계자코일 및 직렬 연결된 제 3 계자코일, 제 4 계자코일의 일단이 상기 커플내의 스위칭 소자들의 접속점들에 각각 접속되고, 타단이 Y결선으로 연결되는 계자코일들; 상기 홀소자들에 의한 영구자석의 위치를 입력받아 상기 3개의 커플들 중 2개의 커플내의 스위칭 소자를 하나씩 턴-온시켜 상기 Y결선의 결선점의 두 개의 회로선들에 전류가 흐르도록 상기 스위칭 소자들을 제어하는 제어부를 포함한다.
이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 편평형 무정류자 진동모터의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 적용되는 PCB 기판의 평면도이다.
도시된 바와 같이, 상호 결합되어 내부에 소정 공간을 형성하는 상부케이스(10) 및 하부케이스(20)를 가지는 케이스(30)가 마련된다. 상부케이스(10) 및 하부케이스(20)에는 회전축(14)의 일단부측 및 타단부측이 각각 지지된다.
회전축(14)의 외주면에는 베어링(13)이 삽입되어 설치되고, 베어링(13)의 외주면에는 편심된 회전자(40)가 회전가능하게 마련된다. 회전자(40)는 베어링(13)의 외주면에 마련되며 편심된 로터요크(41), 로터요크(41)의 저면에 고정되어 자기장 을 발생하는 마그네트(42) 및 회전자(40)가 큰 진동을 일으키게 하는 웨이트(43)를 포함한다.
하부케이스(20)에는 홀소자(H1), (H2), 제어부(미도시) 등이 설치된 PCB(Printed Circuit Board)기판(21)이 고정된다. 그리고 마그네트(42) 하측에는 전류가 공급되면 자기장을 발생하여 회전자(140)를 회전시키는 계자코일(50)이 마련된다. 이때, 계자코일(50)은 3상 6극 구조로 이루어진 실시예에서는 도 4와 같이 PCB 기판(21)의 중심 주위로 배치되되, 홀소자(H1), (H2)간의 중심을 기준으로 반시계방향으로 4 개의 계자코일(C1), (C2), (C3), (C4)이 순차적으로 배치된다. 이때, 기판(21)의 중심을 통과하는 임의의 선(OO′)에 대하여 계자코일(C1)의 중심은 반시계방향으로 각도(α), 계자코일(C2)의 중심은 반시계방향으로 각도(β) , 계자코일(C3)의 중심은 시계방향으로 각도(γ), 계자코일(C4)의 중심은 반시계방향으로 각도(δ)를 갖도록 배치되고, 홀소자(H1), (H2)간의 중심은 각도 (ε)를 갖는다. 이때, 홀소자(H1), (H2)간의 중심을 임의의 선(OO′)이 통과한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 적용되는 회로도이고, 도 6a는 도 5의 계자코일에 발생되는 역기전력이고, 도 6b는 도 5의 계자코일에 흐르는 전류이고, 도 6c는 도 5의 회전자에 발생되는 토크를 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 5의 계자코일에 인가되는 스위칭 로직이다.
도 5에 도시된 회로는 바이폴라 방식이 적용된 모터 구동회로로서, 직류전원(Vdc)과 접지사이에는 2개의 스위칭 소자가 직렬접속되어 하나의 커플을 이루며 이러한 커플이 3개가 병렬로 접속되어 제어부(60)의 제어를 받아 스위칭 된다.
스위칭 소자는 트랜지스터, MOSFET, JFET등 제어용량에 따라 다양하게 사용될 수 있으나, 도시된 실시예에서는 트랜지스터를 사용하기로 한다.
스위칭 트랜지스터(P1), (P2)는 하나의 커플을 이루며, 스위칭 트랜지스터(P3), (P4)가 하나의 커플을 이루며, 스위칭 트랜지스터(P5), (P6)가 커플을 이루고 있으며, 스위칭 트랜지스터(P1), (P3), (P5)는 PNP 형이고, 스위칭 트랜지스터(P2), (P4), (P6)는 NPN 형으로 이루어진다.
또한, 스위칭 트랜지스터(P1), (P2)의 접속점에는 계자코일(C1)의 일단이 연결되고, 스위칭 트랜지스터(P3), (P4)의 접속점에는 계자코일(C2)의 일단이 연결되고, 스위칭 트랜지스터(P5), (P6)의 접속점에는 직렬 연결된 계자코일(C3), (C4)의 일단이 연결된다. 또한, 이들 계자코일(C1), (C2)의 타단과 직렬 연결된 계자코일(C3), (C4)의 타단은 Y 결선 되어진다.
이와 같이, 구성된 회로에서 제어부(60)는 일 커플내의 두 개의 스위칭 트랜지스터 중에 하나를 턴-온 시키고, 다른 커플내의 두 개의 스위칭 트랜지스터 중 하나를 턴-온시킨다. 제어부(60)에서 스위칭 트랜지스터(P1)와 스위칭 트랜지스터(P4)를 도통시키게 되면, 직류전원(Vdc), 스위칭 트랜지스터(P1), 계자코일(C1), Y 결선점, 계자코일(C2), 스위칭 트랜지스터(P4)순으로 전류가 흐르게 되어 두 개의 계자코일(C1), (C2)이 도통되게 된다. 따라서 계자코일의 합성저항은 각각의 저항의 두배로 증가하게 된다. 제어부(60)의 제어에 의하여 스위칭 트랜지스터(P1)와 스위칭 트랜지스터(P6)가 도통되면, 직류전원(VDC), 스위칭 트랜지스터(P1), 계자코일(C1), Y 결선점, 계자코일(C3), 계자코일(C4), 스위칭 트랜지스터(P6) 순으로 전류가 흐르게 되고 계자코일(C3), 계자코일(C4)의 저항이 다른 계자코일과 동일한 경우에 합성저항은 3배로 증가하게 된다.
PCB 기판의 중심을 기준으로 홀 소자(H1), (H2) 사이의 각도(ε)를 위치공차를 고려하여 30±5도로 배치하고, 임의의 선(OO′)과 계자코일(C1)의 중심간의 각도(α)를 75도, 임의의 선(OO′)과 계자코일(C2)의 중심간의 각도(β)를 165도, 임의의 선(OO′)과 계자코일(C3)의 중심간의 각도(γ)를 135도, 임의의 선(OO)과 계자코일(C4)의 중심간의 각도(δ)를 75도로 구성하고, 도 7의 스위칭 로직과 같이 각각의 계자코일이 여자되도록 스위칭 트랜지스터들을 동작시키는 경우 계자코일에 유기되는 역기전력은 도 6a, 흐르는 전류는 도 6b와 같이 되고, 이때 발생되는 토크는 도 6c와 같이 발생되게 되어, 토크 값이 플랫하게 되어 토크 리플이 낮아지게 된다.
도 8은 도 5에서 임의의 선(OO′)과 계자코일(C1)의 중심의 각도(α)를 65도부터 85도까지 변화시킬 때 얻어지는 토크의 리플의 변화를 그래프로 표시한 것이다.
도 8에서 표시되는 토크 리플(%)은 다음의 수학식에 의하여 구하여진다.
토크 리플(%) = (최대 토크 - 최소 토크)ⅹ100 / 최대 토크
도 8에서 알 수 있듯이 토크 리플 특성은 임의의 선(OO′)과 계자코일(C1)의 중심간격이 75도일 때, 가장 우수하고 이 각도를 벗어나게 되면 점차 토크 리플이 커지게 된다. 허용될 수 있는 토크 리플의 한계를 60%로 할 때, 임의의 선(OO)과 계자코일(C1)의 중심의 각도(α)는 68도부터 83도까지로 한정된다.
마찬가지의 방법으로 임의의 선(OO′)과 계자코일(C2)의 중심간의 각도(β)는 155 내지 175도내에서 배치되는 것이 바람직하며, 이 범위를 벗어나게 되면 다른 계자코일의 배치를 조정해도 토크 리플을 60% 이내로 조정할 수 없게 된다.
또한, 도 5의 회로도와 도 7의 스위칭 블록에서 알 수 있듯이 2 개, 또는 3 개의 계자코일이 동시에 ON 되며 이들은 직렬 연결된 상태이기 때문에 각각의 계자코일의 저항을 15Ω으로 하여도 합성저항이 30Ω 또는 45 Ω으로 되기 때문에 계자코일 각각의 도체직경을 종래 기술보다 크게 할 수 있으면서 전류의 소모를 줄일 수 있다.
상기 목적과 구성으로 이루어지는 본 발명에 따르면, 편평형 무정류자 진동모터의 토크 리플을 감소시켜 기동특성을 개선할 수 있으며, 계자코일의 도체직경을 크게함으로써 제작공정시에 단선으로 인한 불량을 감소시킬 수 있다. 특히, 휴대폰과 같은 밧데리 사용시간이 중요시되는 전자기기에 있어서 전류의 소모를 줄임으로서 밧데리 사용시간을 늘릴 수 있다.

Claims (18)

  1. 편평형 무정류자 진동모터의 구동회로에 있어서;
    스위칭 소자들이 두 개씩 직렬 연결되어 하나의 커플을 이루며, 상기 커플 3개가 병렬로 직류전원과 접지사이에 설치되어 상기 직류전원을 스위칭하기 위한 스위칭 소자들;
    제 1 계자코일, 제 2 계자코일 및 직렬 연결된 제 3 계자코일, 제 4 계자코일의 일단이 상기 커플내의 스위칭 소자들의 접속점들에 각각 접속되고, 타단이 Y결선으로 연결되는 계자코일들; 및
    상기 Y결선의 결선점에 연결되는 2개의 선에 동시에 전류가 흐르도록 상기 스위칭 소자들을 스위칭시키는 제어부
    를 포함하는 편평형 무정류자 진동모터의 구동회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 커플로 연결되는 스위칭 소자 중 하나가 턴-온 될 때, 다른 하나는 턴-오프 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터의 구동회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 커플들 중의 2 개의 커플들에 설치되는 스위칭 소자들 중 각각을 하나씩 턴-온 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터의 구동회로.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 스위칭 소자들이 턴-온될 때, 턴-온되는 스위칭 소자에 연결되는 계자코일들이 통전되는 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터의 구동회로.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커플을 이루는 스위칭 소자 중 하나는 PNP 트랜지스터이고, 다른 하나는 NPN 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터의 구동회로.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 계자코일들에 의하여 발생되는 자기장에 의하여 6극의 영구자석이 회전되는 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터의 구동회로.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 영구자석의 극성의 위치를 감지하는 2개의 홀소자를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 홀소자에 의하여 감지된 영구자석의 극성의 위치에 따라 상기 스위칭 소자들을 제어하는 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터의 구동회로.
  8. 편평형 무정류자 진동모터에 있어서;
    기판상에 회전자의 영구자석의 위치를 판별하기 위하여 복수로 설치된 홀소 자들;
    상기 기판상에 기판의 중심을 중심으로 반시계방향으로 순차적으로 배치된 제 1 계자코일, 제 2 계자코일, 제 3 계자코일 및 제 4 계자코일을 포함하되,
    상기 제 3 계자코일과 제 4 계자코일이 직렬로 연결되고,
    상기 제 1 계자코일, 상기 제 2 계자코일, 상기 직렬연결된 제 3 계자코일과 제 4 계자코일이 3상 바이폴러 구동방식으로 구동되는 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 기판의 중심을 통과하는 임의의 선에 대하여 상기 제 1 계자코일의 중심은 반시계방향으로 68도 내지 83도 사이에 배치되며, 상기 제 4 계자코일의 중심은 시계방향으로 68도 내지 83도 사이에 배치되며, 상기 제 2 계자코일의 중심은 반시계방향으로 155도 내지 175도 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 편형형 무정류자 진동모터.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 기판에는 영구자석의 자극의 위치를 감지하는 두 개의 홀소자들을 더 포함하며, 상기 홀소자들의 중심간의 각도는 상기 기판의 중심을 기준으로 30±5도인 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 임의의 선은 상기 홀소자들이 이격된 중심을 통과하는 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 기판의 중심을 통과하는 임의의 선에 대하여 상기 제 1 계자코일의 중심은 반시계방향으로 75도에 배치되며, 상기 제 4 계자코일의 중심은 시계방향으로 75도에 배치되며, 상기 제 2 계자코일의 중심은 반시계방향으로 165 도에 배치되고, 상기 제 3 계자코일의 중심은 시계방향으로 135도에 배치되는 것을 특징으로 하는 편형형 무정류자 진동모터.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 영구자석은 6극인 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터.
  14. 편평형 무정류자 진동모터에 있어서;
    기판에 설치되어 회전하는 영구자석의 극성을 판별하는 복수의 홀소자들;
    직류전원을 스위칭하기 위하여 직렬연결된 2개의 스위칭 소자들이 한 커플을 이루며, 3개의 커플이 병렬 연결된 스위칭 소자들;
    제 1 계자코일, 제 2 계자코일 및 직렬 연결된 제 3 계자코일, 제 4 계자코일의 일단이 상기 커플내의 스위칭 소자들의 접속점들에 각각 접속되고, 타단이 Y결선으로 연결되는 계자코일들;
    상기 홀소자들에 의한 영구자석의 위치를 입력받아 상기 3개의 커플들 중 2개의 커플내의 스위칭 소자를 하나씩 턴-온시켜 상기 Y결선의 결선점의 두 개의 회로선들에 전류가 흐르도록 상기 스위칭 소자들을 제어하는 제어부를 포함하는 편평 형 무정류자 진동모터.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 두 개의 회로선들에 전류가 흐를 때, 상기 Y 결선의 결선점에 대한 전류 흐름 방향은 반대인 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 홀 소자들은 상기 홀소자들이 설치된 기판의 중심점에 대하여 30±5도를 이루는 것을 특징으로 하는 편평형 무정류자 진동모터.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 기판의 중심을 통과하는 임의의 선에 대하여 상기 제 1 계자코일의 중심은 반시계방향으로 68도 내지 83도 사이에 배치되며, 상기 제 4 계자코일의 중심은 시계방향으로 68도 내지 83도 사이에 배치되며, 상기 제 2 계자코일의 중심은 반시계방향으로 155도 내지 175도 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 편형형 무정류자 진동모터.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 기판의 중심을 통과하는 임의의 선에 대하여 상기 제 1 계자코일의 중심은 반시계방향으로 75도에 배치되며, 상기 제 4 계자코일의 중심은 시계방향으로 75도에 배치되며, 상기 제 2 계자코일의 중심은 반시계방향으로 165도에 배치되고, 상기 제 3 계자코일의 중심은 시계방향으로 135도에 배치되는 것을 특징으로 하는 편형형 무정류자 진동모터.
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