KR101372392B1 - 3축 자유도 구형 모터 - Google Patents

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KR101372392B1
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coil
permanent magnet
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rotor
decoupled
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KR1020120116001A
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김홍철
권대갑
김효영
김현창
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명의 3축 자유도 구형 모터는 구형을 이루는 표면으로 극성이 노출된 적어도 1개 이상의 영구자석이 구비된 로터(10,Rotor)와, 가로방향코일과 이에 인접한 세로방향코일에 각각 흐르는 전류 흐름으로 로터(10,Rotor)를 3축 방향으로 각각 회전시켜주는 스테이터(50,Stator)가 포함됨으로써 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용한 로렌츠 힘으로 구동토크가 서로 분리(decoupled)된 세 개의 구동 회전축을 형성할 수 있고, 특히 전류에 선형적으로 비례하는 선형 자기장 특성을 이용해 정밀한 위치제어가 용이하게 이루어지는 특징을 갖는다.

Description

3축 자유도 구형 모터{3 Axis Freedom type Sphere Motor}
본 발명은 구형 모터에 관한 것으로, 특히 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용해 서로 분리(Decoupled)된 3축(x,y,z) 회전을 구현함으로써 비선형 자기장 발생과 출력 토크간 간섭발생이 모두 해소될 수 있는 3축 자유도 구형 모터에 관한 것이다.
일반적으로 모터는 1자유도(1방향회전)로 회전 구동이 이루어진다.
그러므로, 여러 개의 1자유도 회전 모터를 기어와 링크로 결합하면, 모터를 2자유도(2방향회전)나 3자유도(3방향회전)이상으로 회전 구동시킬 수 있다.
하지만, 2자유도 이상 회전 구동이 가능한 모터가 상기와 같이 다수의 1자유도 회전 모터와 기어 및 링크로 구성될 경우, 모터 구성이 복잡할 수밖에 없다.
반면, 구형모터는 1개의 모터만으로 3자유도로 회전 구동이 가능하고, 여러 방향 회전을 위한 링크 및 기어 부품이 없어 제조 어려움도 해소될 수 있고, 특히 모터의 공간 효율성 측면에서 매우 우수한 특성을 가질 수 있다.
통상, 구형모터는 자기력을 발생하는 코일과, 자기장을 발생하는 영구자석으로 구성되고, 코일과 영구자석의 인력이나 척력을 토크로 발생시키도록 서로 연관(coupling)된 구동축으로 구성된다.
상기와 같은 구형모터의 장점은 다양한 산업분야에서 필요로 하고 있고, 특히 인간 움직임을 표방하고 있는 휴머노이드 로봇의 관절 구동부에 필수적으로 적용되고 있다.
국내특허공개 10-2009-0093523(2009년09월02일)
하지만, 구형모터가 코일을 이용해 자기력을 발생하고, 토크를 출력하는 구동축이 서로 연관(coupling)됨으로써 모터제어가 매우 어렵다는 취약함이 있게 뙨다.
모터제어의 어려움의 예로서, 코일에서 발생하는 자기장의 비선형적인 특성에 따른 정확한 위치제어의 어려움과, 서로 연관(coupling)된 구동축으로 인한 간섭발생에 따른 토크 제어의 어려움을 들 수 있다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용한 로렌츠 원리로 전류에 선형적으로 비례하는 3축(x,y,z)방향의 구동토크가 출력되고, 3축(x,y,z)방향의 구동 회전축이 분리(decoupled)됨으로써 3축(x,y,z)방향의 간섭발생도 해소되고, 특히 모터의 위치제어가 정밀하게 구현되는 3축 자유도 구형 모터를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3축 자유도 구형 모터는 토크가 출력되는 샤프트를 갖추고, 구형을 이루는 표면으로 자석의 극성이 노출된 로터(Rotor)와;
서로 교차되는 배열을 갖춘 코일에 각각 흐르는 전류 흐름으로 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력을 각각 발생하며, 상기 회전력이 상기 로터(Rotor)를 통해 출력토크로 발생되도록 상기 로터(Rotor)를 구 형상으로 감싼 스테이터(Stator);
가 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 코일은 VC(Voice Coil)타입이고, 상기 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력은 상기 VC(Voice Coil)에 적용된 로렌츠 힘으로 발생된다.
상기 로터는 반구형상으로 이루어진 볼 요크와, 상기 볼 요크에 결합되어 완전한 구 형상을 이루는 스페이서와, 상기 볼 요크와 상기 스페이서의 사이에 위치되어 구형을 이루는 표면에 노출된 상기 극성을 갖는 영구자석으로 구성된다.
상기 볼 요크에는 상기 영구자석이 결합되는 축보스가 상기 볼 요크의 중앙으로 돌출된다.
상기 스페이서는 상기 영구자석의 한쪽면에 밀착되도록 상기 볼 요크와 결합되어 완전한 구 형상의 아래쪽 부위 형상을 이루는 제1스페이서와, 상기 영구자석의 다른쪽면에 밀착되도록 상기 볼 요크와 결합되어 상기 영구자석과 함께 완전한 구 형상의 중간쪽 부위 형상을 이루는 제2스페이서로 구성된다.
상기 제1스페이서와 상기 제2스페이서는 비자성 재질이다.
상기 영구자석은 상기 로터의 구형상 표면에 노출된 아우터 영구자석과, 상기 아우터 영구자석의 안쪽에서 상기 볼 요크의 축보스에 결합된 이너 영구자석으로 이루어지고, 상기 아우터 영구자석과 상기 이너 영구자석은 각각 분리된다.
상기 영구자석은 중앙에 통공을 형성한 링 형태의 방사형으로 이루어진다.
상기 영구자석은 링 형태의 외면이 N극으로 형성된다.
상기 영구자석에는 인터링이 더 포함되고, 상기 인터링은 상기 아우터 영구자석과 상기 이너 영구자석의 사이에 위치된다.
상기 인터링은 자속이 잘 통할 수 있는 재질이다.
상기 스테이터(Stator)는 서로 교차되는 배열을 갖춘 코일을 이루는 VC(Voice Coil)타입 가로방향코일과 VC(Voice Coil)타입 세로방향코일이 구비되고, 상기 가로방향코일은 가로 백요크에 감겨지고, 상기 세로방향코일은 세로 백요크에 감겨지며, 상기 가로 백요크와 상기 세로 백요크가 서로 인접되게 배열되어 상기 로터(Rotor)를 구 형상으로 감싼다.
상기 가로 백요크와 상기 세로 백요크는 끝부분에서 공극을 줄여줄 수 있는 형태이다.
상기 가로 백요크와 상기 세로 백요크는 각각 4개로 이루어지고, 4개중 2개의 상기 가로 백요크가 각각 서로 쌍을 이루어 상기 가로방향코일에 흐르는 전류에 의해 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력중 2축 방향의 서로 분리(decoupled)된 회전력을 발생하며, 4개중 2개의 상기 세로 백요크가 각각 서로 쌍을 이루어 상기 세로방향코일에 흐르는 전류에 의해 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력중 1축 방향의 서로 분리(decoupled)된 회전력을 발생한다.
상기 2축 방향의 서로 분리(decoupled)된 회전력은 상기 가로 백요크와 상기 가로방향코일에 적용된 로렌츠 힘으로 발생되고, 상기 1축 방향의 서로 분리(decoupled)된 회전력은 상기 세로 백요크와 상기 세로방향코일에 적용된 로렌츠 힘으로 발생된다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3축 자유도 구형 모터는 반구형상으로 이루어진 볼 요크와, 상기 볼 요크에 결합되어 완전한 구 형상을 이루는 스페이서와, 상기 볼 요크와 상기 스페이서의 사이에 위치되어 구형을 이루는 표면에 노출된 극성을 갖는 적어도 1개 이상의 영구자석으로 구성된 로터(Rotor)와;
VC(Voice Coil)타입 가로방향코일이 감기고 상기 로터(Rotor)를 구 형상으로 감싸는 적어도 1개 이상의 가로 백요크와, VC(Voice Coil)타입 세로방향코일이 감기고 상기 다수의 가로 백요크들 사이로 위치된 적어도 1개 이상의 세로 백요크로 이루어지고, 상기 가로방향코일과 상기 세로방향코일에 각각 흐르는 전류 흐름으로 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력을 각각 발생하며, 상기 회전력이 상기 로터(Rotor)를 통해 출력토크로 발생되는 스테이터(Stator)와;
상기 로터(Rotor)에 구비되어 토크가 출력되는 샤프트; 가 포함된 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명은 로렌츠 원리로 구동토크가 출력되는 VCM(Voice Coil Motor)의 적용으로 선형 자기장 특성을 구현함으로써 구동토크가 전류에 선형적으로 비례하여 출력될 수 있고, 선형 자기장 특성을 이용한 위치의 정밀제어가 구현되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용해 전류에 선형적으로 비례하는 3축(x,y,z)방향의 구동토크가 출력되고, 3축(x,y,z)방향의 구동 회전축이 분리(decoupled)됨으로써 3축(x,y,z)방향의 토크 간 간섭발생이 해소되는 효과도 있다.
또한, 본 발명은 3축(x,y,z)방향의 구동 회전축이 분리(decoupled)되어 서로간에 간섭발생이 제거됨으로써 회전축 위치에 상관없이 모터의 전 구동 범위에서 일정한 토크가 항상 유지되는 효과도 있다.
또한, 본 발명은 모터의 전 구동 범위에서 일정한 토크가 발생됨으로써 모터의 위치에 대한 제어정밀도가 크게 개선되는 효과도 있다.
또한, 본 발명은 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용한 로렌츠 원리로 서로간 간섭이 없도록 분리(decoupled)된 는 3축(x,y,z)방향의 구동 토크를 이용함으로써, 구형모터의 기존 장점이 그대로 유지되면서도 성능은 크게 개선되는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 3축 자유도 구형 모터의 구성이고, 도 2는 본 발명에 따른 3축 자유도 구형 모터의 로터 구성이며, 도 3은 도 2의 로터(Rotor)를 구성하는 영구자석의 구성이고, 도 4는 본 발명에 따른 3축 자유도 구형 모터의 스테이터(Stator)의 구성이며, 도 5는 도 4의 스테이터(Stator)를 이루는 요크(York)의 구성이고, 도 6은 본 발명에 따른 3축 자유도 구형 모터의 출력토크 발생 원리이고, 도 7은 본 발명에 따른 3축 자유도 구형 모터의 조립상태이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 3축 자유도 구형 모터를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 구형 모터는 회전체로서 구형을 이루는 로터(10,Rotor)와, 고정체로서 전류가 흐르는 스테이터(50,Stator)와, 로터(10)에 연결되어 로터(10)의 회전을 통해 출력 토크를 발생하는 샤프트(80)로 구성된다.
특히, 상기 스테이터(50)에는 VC(Voice Coil)타입의 코일이 적용됨으로써 3축 자유도 구형 모터에서는 VCM(Voice Coil Motor)의 특징이 모두 구현된다.
한편, 도 2는 본 실시예에 따른 로터(10,Rotor)의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 로터(10,Rotor)는 반구형상으로 이루어진 볼 요크(20)와, 구형상의 일부를 형성해주도록 볼 요크(20)에 결합된 적어도 1개 이상의 영구자석(30,30-1)과, 또 다른 반구형상을 이루어 볼 요크(20)와 결합되는 스페이서(40)로 구성된다.
그러므로, 상기 볼 요크(20)와 상기 한쌍의 영구자석(30,30-1) 및 상기 스페이서(40)가 조립되면, 로터(10)는 볼 요크(20)가 반구형상의 반쪽부위를 형성하고, 이에 결합된 스페이서(40)가 반구형상의 나머지 반쪽부위를 형성하며, 한쌍의 영구자석(30,30-1)이 볼 요크(20)와 스페이서(40)사이로 위치됨으로써 완전한 구형상의 로터(10)로 이루어질 수 있다.
상기와 같이 로터(10)가 조립상태가 되면, 도 2의 단면 A-A와 같이 볼 요크(20)의 중앙으로 돌출된 축보스(21)에 한쌍의 영구자석(30,30-1)이 끼워짐으로써 축보스(21)의 주변공간중 일부공간을 메워주고, 이어 스페이서(40)가 볼 요크(20)와 결합되어진다.
특히, 상기 볼 요크(20)는 VC(Voice Coil)타입의 코일이 구비된 스테이터(50)로 흘러들어온 자기 플럭스를 한쌍의 영구자석(30,30-1)의 반대극으로 돌려주는 통로 역할을 수행한다.
상기와 같의 로터(10)의 조립상태에서, 상기 한쌍의 영구자석(30,30-1)중 볼 요크(20)의 중앙으로 돌출된 축보스(21)에 직접 접촉되는 이너 영구자석(30-1)은 한쪽 극성이 볼 요크(20)와 연결된 상태이지만, 다른 하나인 아우터 영구자석(30)은 이너 영구자석(30-1)을 감싼 구조이므로 볼 요크(20)와 연결된 상태를 이루지 않는다.
또한, 상기 한쌍의 영구자석(30,30-1)중 볼 요크(20)의 축보스(21)에 끼워져 볼 요크(20)의 안쪽으로 위치된 이너 영구자석(30-1)과, 이너 영구자석(30-1)을 감싸 볼 요크(20)의 바깥층을 이루는 아우터 영구자석(30)사이로는 인터링(31)이 위치된다.
그러므로, 상기 인터링(31)은 중앙에 통공이 뚫린 링 형태의 방사형으로 이루어지며, 특히 이너 영구자석(30-1)과 아우터 영구자석(30)의 자속이 잘 통할 수 있는 재질로 이루어진다.
또한, 상기 스페이서(40)는 제1스페이서(41)와 제2스페이서(42)로 이루어지고, 상기 제1스페이서(41)가 볼 요크(20)와 결합되어 반구형상의 반쪽부위를 형성하는 반면, 상기 제2스페이서(42)는 볼 요크(20)의 중앙으로 돌출된 축보스(21)에 끼워짐으로써 축보스(21)의 주변공간 중 또 다른 일부공간을 메워준다.
그러므로, 상기 제1스페이서(41)와 상기 제2스페이서(42)사이로 한쌍의 영구자석(30,30-1)이 위치됨으로써 한쌍의 영구자석(30,30-1)은 위아래 부위에서 볼 요크(20)와 직접 접촉되지 않는다.
이를 위해, 상기 제1스페이서(41)와 상기 제2스페이서(42)는 자속이 흐를 수 없는 비자성 재질로 이루어진다.
특히, 상기 제1스페이서(41)와 상기 제2스페이서(42)가 비자성 재질로 이루어짐으로써, 자기 플럭스가 한쌍의 영구자석(30,30-1)에서 볼 요크(20)로 흐르지 않고 VC(Voice Coil)타입의 코일이 구비된 스테이터(50)로 흘러갈 수 있다.
한편, 도 3은 본 실시예에 따른 한쌍의 영구자석(30,30-1)을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 한쌍의 영구자석(30,30-1)은 중앙에 통공(30a)이 뚫린 링 형태의 방사형으로 이루어지며, 링의 외면이 N극일 때 내면은 S극을 이룸으로써 자속흐름은 링의 외부로 나와서 내부로 들어간다.
그러므로, 상기 한쌍의 영구자석(30,30-1)을 이루는 이너 영구자석(30-1)과 아우터 영구자석(30)은 동일하게 이루어지고, 다만 통공(30a)을 이용해 볼 요크(20)의 중앙으로 돌출된 축보스(21)에 끼워지는 이너 영구자석(30-1)에 비해 이너 영구자석(30-1)을 감싼 인터링(31)과 결합되는 아우터 영구자석(30)이 상대적으로 더 큰 형상을 이루는 차이만 있다.
본 실시예에서 영구자석은 이너 영구자석(30-1)이나 아우터 영구자석(30)으로 한쌍을 이루고 각각은 일체형으로 제조되지만, 이너 영구자석(30-1)이나 아우터 영구자석(30)의 크기에 따라 다수의 원호 조각으로 분할해 제작한 후 원호 조각들을 서로 조립함으로써 하나의 일체형 영구자석으로 제조될 수 있다.
특히, 영구자석은 링 형태의 영구자석이 보다 용이하게 제작될 수 있거나 또는 자석의 세기가 조절될 필요가 있을 경우, 이너 영구자석(30-1)이나 아우터 영구자석(30)이외에 또 다른 영구자석을 함께 구성함으로써 3개 이상으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 각각의 영구자석 사이에는 자속이 잘 통할 수 있는 재질로 이루어진 인터링(31)이 각각 위치된다.
한편, 도 4는 본 실시예에 따른 스테이터(Stator)의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 스테이터(50,Stator)는 다수의 가로 백요크(60)와, 가로 백요크(60)사이로 배열되는 다수의 세로 백요크(70)로 구성되고, 상기 가로 백요크(60)에는 가로코일(61)이 감겨지며, 상기 세로 백요크(70)에는 세로코일(71)이 감겨진다.
본 실시예에서 상기 가로 백요크(60)와 상기 세로 백요크(70)는 각각 4개로 이루어져 서로 교차 배열됨으로써 약 45도 위치각(a)으로 쌍을 이루어 마주보는 상태가 되고, 이러한 상태로 구 형상을 이루게 된다.
그러므로, 가로 백요크(60)에 감겨진 가로코일(61)에서는 전류가 흐르는 방향에 따라 위아래로 힘이 발생하고, 이는 상기 가로 백요크(60)에 대해 90도로 배열된 또 다른 가로 백요크(60)의 가로코일(61)에서도 동일하게 발생된다.
또한, 세로 백요크(70)에 감겨진 세로코일(71)에서는 전류가 흐르면 수평방향으로의 힘이 발생함으로써 로테이션 힘으로 형성되고, 이러한 로테이션 힘은 서로 90도로 배열된 4개의 세로 백요크(70)를 통해 한 개의 로테이션 힘으로 구현된다.
도 5는 가로 백요크(60)와 세로 백요크(70)의 상세 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 가로 백요크(60)는 원을 세로방향으로 일정 구간 수직하게 잘라낸 구간 원 형상의 바디로 이루어지고, 상기 구간 원 형상의 바디에는 가로 코일(61)이 감겨진다.
상기 가로 백요크(60)가 총 4개로 이루어지고, 상기 가로 코일(61)도 총 4개로 이루어짐으로써 구형 모터는 틸트방향회전(Tilt Direction Rotation)이 x축과 y축에서 발생될 수 있다.
특히, 상기 가로 백요크(60)의 구간 원 형상의 바디는 로터(10)의 볼 요크(20)로의 원활한 자속 흐름을 위해 끝부분에서 공극을 줄여줄 수 있는 형태를 갖는다.
그리고, 상기 세로 백요크(70)는 원을 세로방향으로 일정 구간 수직하게 잘라낸 구간 원 형상의 바디로 이루어지고, 상기 구간 원 형상의 바디에는 세로 코일(71)이 감겨진다.
상기 세로 백요크(70)가 총 4개로 이루어지고, 상기 세로 코일(71)도 총 4개로 이루어짐으로써 구형 모터는 틸트방향회전(Tilt Direction Rotation)이 z축에서 발생될 수 있다.
특히, 상기 세로 백요크(70)의 구간 원 형상의 바디는 로터(10)의 볼 요크(20)로의 원활한 자속 흐름을 위해 끝부분에서 공극을 줄여줄 수 있는 형태를 갖는다.
상기 공극은 작으면 작을수록 공기중으로 누설되는 자속의 양이 줄어들어 공극에서의 자속이 더욱 강하게 형성될 수 있다.
한편, 도 6은 본 실시예에 따른 3축 자유도 구형 모터의 출력토크 발생 원리를 나타낸다.
도 6(가)는 가로 코일(61)이 감겨진 가로 백요크(60)와 아우터 영구자석(30)에서 발생하는 힘(F)을 나타내고, 도 6(나)는 세로 코일(71)이 감겨진 세로 백요크(70)와 아우터 영구자석(30)에서 발생하는 또 다른 힘(F)을 나타내며, 도 6(다)는 이를 위한 로렌츠법칙을 나타낸다.
그러므로, 본 실시예에 따른 3축 자유도 구형 모터도 안쪽이나 바깥쪽으로 위치된 영구자석에 의한 자기장과 코일에 만들어지는 자기 모우멘트의 상호 작용으로 코일이나 영구자석이 움직임으로써 추력을 발생시켜주는 VCM(Voice Coil Motor)의 특징이 모두 구현될 수 있다.
한편, 도 7은 본 실시예에 따른 구형 모터의 조립상태를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 구형 모터는 샤프트(80)를 갖춘 회전체인 로터(10)를 갖추고, 전류가 흐르는 고정체인 스테이터(50)가 상기 로터(10)를 구형상으로 감싸도록 배열된다.
상기와 같은 구형 모터의 조립상태에서, 상기 로터(10)는 반구형상의 볼 요크(20)와, 이에 결합되어 완전한 구형상을 만들어주는 스페이서(40)와, 상기 스페이서(40)의 제1스페이서(41)와 제2스페이서(42)사이로 위치되어 외부로 노출된 아우터 영구자석(30)으로 이루어진다.
특히, 상기 볼 요크(20)는 VC(Voice Coil)타입의 코일이 구비된 스테이터(50)로 흘러들어온 자기 플럭스를 한쌍의 영구자석(30,30-1)의 반대극으로 돌려주는 통로 역할을 수행한다.
상기와 같이 볼 요크(20)를 통해 한쌍의 영구자석(30,30-1)의 N극에서 나와서 S극으로 들어가는 자기 플럭스의 경로가 형성되고, 이로 인해 스테이터(50)에서는 VC(Voice Coil)타입 코일이 지나가는 공극 부분에서 자속이 강해짐으로써 구형 모터의 토크가 크게 높아질 수 있다.
이러한 결과는 공극이 작으면 작을수록 공기중으로 누설되는 자속의 양이 줄어들어 공극에서의 자속이 강하게 됨에 기인된다.
또한, 상기 제1스페이서(41)와 상기 제2스페이서(42)가 비자성 재질로 이루어짐으로써, 자기 플럭스가 한쌍의 영구자석(30,30-1)에서 볼 요크(20)로 흐르지 않고 VC(Voice Coil)타입의 코일이 구비된 스테이터(50)로 흘러갈 수 있다.
한편, 상기와 같은 구형 모터의 조립상태에서, 상기 스테이터(50)는 VC(Voice Coil)타입의 가로코일(61)이 감겨진 가로 백요크(60)와, VC(Voice Coil)타입의 가로코일(61)이 감겨진 세로 백요크(70)로 구성되고, 특히 상기 가로 백요크(60)와 상기 세로 백요크(70)는 각각 4개로 이루어져 서로 교차 배열됨으로써 약 45도 위치각(a)으로 쌍을 이루어 마주보는 상태가 되고, 이러한 상태로 구형상을 이루게 된다.
그러므로, 상기와 같이 조립된 스테이터(50)에 전류가 흐르게 되면, 가로 백요크(60)에 감겨진 가로코일(61)에서는 전류가 흐르는 방향에 따라 위아래로 힘이 발생하고, 이는 상기 가로 백요크(60)에 대해 90도로 배열된 또 다른 가로 백요크(60)의 가로코일(61)에서도 동일하게 발생된다.
이로 인해, 서로 90도로 배열된 2개의 가로 백요크(60)에서는 서로 반대방향으로 위아래로 힘을 줌으로써 모멘트 힘에 의한 토크가 발생되고, 이러한 토크는 구형 모터의 틸트방향회전(Tilt Direction Rotation)으로 나타난다.
이러한 작용은 서로 90도로 배열된 또 다른 2개의 가로 백요크(60)에서도 동일하게 구현된다.
이에 따라, 서로 90도로 배열된 4개의 가로 백요크(60)중 2개의 가로 백요크(60)에서는 x방향 회전을 통한 토크가 발생되고, 또 다른 2개의 가로 백요크(60)에서는 y방향 회전을 통한 토크가 발생될 수 있다.
반면, 세로 백요크(70)에 감겨진 세로코일(71)에서는 전류가 흐르면 수평방향으로의 힘이 발생함으로써 로테이션 힘으로 형성되고, 이러한 로테이션 힘은 서로 90도로 배열된 4개의 세로 백요크(70)를 통해 한 개의 로테이션 힘으로 구현된다.
이로 인해, 4개의 세로 백요크(70)에서는 한 개의 로테이션 힘으로 z 방향 회전을 통한 토크가 발생될 수 있다.
특히, 4개의 가로 백요크(60)와 4개의 세로 백요크(70)가 각각 2개씩 쌍을 이루어 분리됨으로써 x축과 y축 및 z축의 토크도 모두 분리되고, 이러한 토크의 분리로 구형모터의 제어가 극히 용이하면서도 정밀한 위치제어가 가능할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 3축 자유도 구형 모터는 구형을 이루는 표면으로 극성이 노출된 적어도 1개 이상의 영구자석이 구비된 로터(10,Rotor)와, 가로방향코일과 이에 인접한 세로방향코일에 각각 흐르는 전류 흐름으로 로터(10,Rotor)를 3축 방향으로 각각 회전시켜주는 스테이터(50,Stator)가 포함됨으로써 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용한 로렌츠 힘으로 구동토크가 서로 분리(decoupled)된 세 개의 구동 회전축을 형성할 수 있고, 특히 전류에 선형적으로 비례하는 선형 자기장 특성을 이용해 정밀한 위치제어가 용이하게 이루어질 수 있다.
10 : 로터(Rotor) 20 : 볼 요크
21 : 축보스 22 : 안착공간
30,30-1 : 아우터ㅇ이너 영구자석
30a : 통공
31 : 인터링 40 : 스페이서
41 : 제1스페이서 42 : 제2스페이서
50 : 스테이터(Stator)
60 : 가로 백요크 61 : 가로 코일
70 : 세로 백요크 71 : 세로 코일
80 : 샤프트

Claims (17)

  1. 토크가 출력되는 샤프트를 갖추고, 구형을 이루는 표면으로 자석의 극성이 노출된 로터(Rotor)와;
    서로 교차되는 배열을 갖춘 코일에 각각 흐르는 전류 흐름으로 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력을 각각 발생하며, 상기 회전력이 상기 로터(Rotor)를 통해 출력토크로 발생되도록 상기 로터(Rotor)를 구 형상으로 감싼 스테이터(Stator);로 이루어지고,
    상기 로터는 반구형상으로 이루어진 볼 요크와, 상기 볼 요크에 결합되어 완전한 구 형상을 이루는 스페이서와, 상기 볼 요크와 상기 스페이서의 사이에 위치되어 구형을 이루는 표면에 노출된 상기 극성을 갖는 영구자석과, 상기 영구자석이 결합되도록 상기 볼 요크의 중앙으로 돌출된 축보스가 포함된 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 코일은 VC(Voice Coil)타입이고, 상기 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력은 상기 VC(Voice Coil)에 적용된 로렌츠 힘으로 발생되는 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 스페이서는 상기 영구자석의 한쪽면에 밀착되도록 상기 볼 요크와 결합되어 완전한 구 형상의 아래쪽 부위 형상을 이루는 제1스페이서와, 상기 영구자석의 다른쪽면에 밀착되도록 상기 볼 요크와 결합되어 상기 영구자석과 함께 완전한 구 형상의 중간쪽 부위 형상을 이루는 제2스페이서로 구성된 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제1스페이서와 상기 제2스페이서는 비자성 재질인 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 영구자석은 상기 로터의 구형상 표면에 노출된 아우터 영구자석과, 상기 아우터 영구자석의 안쪽에서 상기 볼 요크의 축보스에 결합된 이너 영구자석으로 이루어지고, 상기 아우터 영구자석과 상기 이너 영구자석은 각각 분리된 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 영구자석은 중앙에 통공을 형성한 링 형태의 방사형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 영구자석은 링 형태의 외면이 N극으로 형성되는 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 영구자석에는 인터링이 더 포함되고, 상기 인터링은 상기 아우터 영구자석과 상기 이너 영구자석의 사이에 위치된 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 인터링은 자속이 통하는 재질인 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 스테이터(Stator)는 서로 교차되는 배열을 갖춘 코일을 이루는 VC(Voice Coil)타입 가로방향코일과 VC(Voice Coil)타입 세로방향코일이 구비되고, 상기 가로방향코일은 가로 백요크에 감겨지고, 상기 세로방향코일은 세로 백요크에 감겨지며, 상기 가로 백요크와 상기 세로 백요크가 서로 인접되게 배열되어 상기 로터(Rotor)를 구 형상으로 감싸는 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 가로 백요크와 상기 세로 백요크는 끝부분에서 공극을 줄여줄 수 있는 형태인 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 가로 백요크와 상기 세로 백요크는 각각 4개로 이루어지고, 4개중 2개의 상기 가로 백요크가 각각 서로 쌍을 이루어 상기 가로방향코일에 흐르는 전류에 의해 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력중 2축 방향의 서로 분리(decoupled)된 회전력을 발생하며, 4개중 2개의 상기 세로 백요크가 각각 서로 쌍을 이루어 상기 세로방향코일에 흐르는 전류에 의해 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력중 1축 방향의 서로 분리(decoupled)된 회전력을 발생하는 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 2축 방향의 서로 분리(decoupled)된 회전력은 상기 가로 백요크와 상기 가로방향코일에 적용된 로렌츠 힘으로 발생되고, 상기 1축 방향의 서로 분리(decoupled)된 회전력은 상기 세로 백요크와 상기 세로방향코일에 적용된 로렌츠 힘으로 발생되는 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  16. 반구형상으로 이루어진 볼 요크와, 상기 볼 요크에 결합되어 완전한 구 형상을 이루는 스페이서와, 상기 볼 요크와 상기 스페이서의 사이에 위치되어 구형을 이루는 표면에 노출된 극성을 갖는 적어도 1개 이상의 영구자석으로 구성된 로터(Rotor)와;
    VC(Voice Coil)타입 가로방향코일이 감기고 상기 로터(Rotor)를 구 형상으로 감싸는 적어도 1개 이상의 가로 백요크와, VC(Voice Coil)타입 세로방향코일이 감기고 상기 다수의 가로 백요크들 사이로 위치된 적어도 1개 이상의 세로 백요크로 이루어지고, 상기 가로방향코일과 상기 세로방향코일에 각각 흐르는 전류 흐름으로 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력을 각각 발생하며, 상기 회전력이 상기 로터(Rotor)를 통해 출력토크로 발생되는 스테이터(Stator)와;
    상기 로터(Rotor)에 구비되어 토크가 출력되는 샤프트;
    가 포함된 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 가로 백요크와 상기 세로 백요크는 각각 4개로 이루어지고, 4개중 2개의 상기 가로 백요크가 각각 서로 쌍을 이루어 상기 가로방향코일에 흐르는 전류에 의해 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력중 2축 방향의 서로 분리(decoupled)된 회전력을 발생하며, 4개중 2개의 상기 세로 백요크가 각각 서로 쌍을 이루어 상기 세로방향코일에 흐르는 전류에 의해 3축 방향에 대해 서로 분리(decoupled)된 회전력중 1축 방향의 서로 분리(decoupled)된 회전력을 발생하는 것을 특징으로 하는 3축 자유도 구형 모터.
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