KR101372393B1 - 센서내장형 구형 모터 - Google Patents

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KR101372393B1
KR101372393B1 KR1020120116002A KR20120116002A KR101372393B1 KR 101372393 B1 KR101372393 B1 KR 101372393B1 KR 1020120116002 A KR1020120116002 A KR 1020120116002A KR 20120116002 A KR20120116002 A KR 20120116002A KR 101372393 B1 KR101372393 B1 KR 101372393B1
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spherical
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김홍철
권대갑
김효영
김현창
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명의 센서내장형 구형 모터는 아우터 요크와 영구자석 및 이너요크가 일체화되어 적어도 1개 이상으로 구성되고, 토크를 출력하는 샤프트가 구비된 로터(10,Rotor)를 구 형상으로 감싸는 스테이터(30,Stator)와; 전류가 흐르면 이너요크사이에서 일어나는 상하 움직임으로 적어도 2축 방향으로 로터(10,Rotor)를 회전시키는 코일로터(40, Coil Rotor)와; 코일로터(40, Coil Rotor)의 안쪽 공간으로 위치되고, 적어도 1개 이상의 엔코더가 구비된 짐벌 가이드유닛이 포함됨으로써 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용한 로렌츠 힘으로 전류에 선형적으로 비례하는 구동토크가 출력되고, 특히 스테이터(30)의 내부 공간에 짐벌(Gymbal)과 엔코더(Encoder)가 내장됨으로써 콤팩트(Compact)한 모터 사이즈(Size)가 가능한 특징을 갖는다.

Description

센서내장형 구형 모터{Built In Sensor type Sphere Motor}
본 발명은 구형 모터에 관한 것으로, 특히 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용해 서로 분리(Decoupled)된 축 회전을 구현함으로써 비선형 자기장 발생과 출력 토크간 간섭발생이 모두 해소될 수 있고, 더불어 짐벌가이드를 모터의 안쪽 공간에 빌트인(Built-In)함으로써 보다 콤팩트(Compact)한 구조를 갖는 센서내장형 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.
국내등록특허10-0836061(2008년06월02일)
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 더해, 모터제어에 어려움이 있는 구형모터는 사이즈(Size)로 인한 많은 제약도 발생될 수밖에 없다.
이는, 피드백제어로 모터제어의 정확성을 높이도록 짐벌(Gymbal) 및 엔코더(Encoder)등이 반드시 적용되고, 이러한 부가장치들이 구형모터의 외부로 함께 구성됨으로써 모터 사이즈(Size)가 매우 커지고 활용성도 저하될 수밖에 없다.
특히, 엔코더 센서가 짐벌(Gymbal)과 2-3축 타입으로 설치됨으로써 모터 크기가 더욱 커질 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용한 로렌츠 원리로 전류에 선형적으로 비례하는 축 방향의 구동토크가 출력되고, 축 방향의 구동 회전축이 분리(decoupled)됨으로써 적어도 2축(x,y)방향의 간섭발생도 해소된 센서내장형 구형모터를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용한 회전자 구성으로 모터 내부공간에 짐벌가이드(Gymbal Guide)와 함께 엔코더센서(Encoder Sensor)가 내장됨으로써 모터 사이즈(Size)의 콤팩트(Compact)화를 크게 높이고, 특히 분리(decoupled)된 축 방향의 토크와 엔코더센서(Encoder Sensor)를 이용한 피드백제어로 토크 제어의 정밀도가 더욱 개선된 센서내장형 구형모터를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 센서내장형 구형 모터는 아우터 요크와 영구자석 및 이너요크가 일체화되어 적어도 1개 이상으로 구성되고, 토크를 출력하는 샤프트가 구비된 로터를 구 형상으로 감싸는 스테이터와;
전류가 흐르면 상기 이너요크사이에서 상하로 움직이고, 상기 상하 움직임으로 적어도 2축 방향으로 상기 로터를 회전시키는 코일로터와;
상기 코일로터의 안쪽 공간으로 위치되고, 적어도 1개 이상의 엔코더가 구비된 짐벌 가이드유닛; 이 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 스테이터는 상기 아우터 요크와 상기 영구자석 및 상기 이너요크가 일체화된 쌍이 4개로 이루어지고, 상기 4개의 쌍이 서로 인접되도록 배열되어 상기 로터를 구 형상으로 감싼다.
상기 이너요크는 상기 영구자석과 공극(Air Gab)을 형성하도록 서로 결합된다.
상기 아우터요크는 구각형상을 이루어 상기 영구자석이 안착되고, 안착공간의 위쪽과 아래쪽으로 각각 상기 이너요크가 밀착되는 어퍼보스와 로어보스를 형성한다.
상기 영구자석은 상기 로터의 중심을 향하는 자화 방향을 갖는다.
상기 이너요크는 구각형상의 일부을 이루는 어퍼이너요크와, 상기 어퍼이너요크에 결합되어 완전한 구각형상을 이루는 로어이너요크로 이루어지고, 상기 어퍼이너요크와 상기 로어이너요크는 상기 아우터요크의 위쪽과 아래쪽으로 각각 형성된 어퍼보스와 로어보스에 밀착된다.
상기 어퍼이너요크와 상기 로어이너요크는 중간부위에서 요철(凹凸)구조와 함께 힌지핀으로 결합된다.
상기 코일로터는 VC(Voice Coil)이 구비되고, 상기 VC(Voice Coil)은 전류가 흐르면 상기 이너요크사이에서 상하로 움직이고, 상기 상하 움직임으로 적어도 2축 방향으로 상기 로터를 회전시킨다.
상기 VC(Voice Coil)은 보빈에 감겨져 상기 이너요크의 중앙부위로 위치되고, 상기 보빈과 상기 VC(Voice Coil)는 케이스로 감싸이며, 상기 케이스는 원형 링 형상인 어셈블리 링에 결합되며, 상기 어셈블리 링에는 상기 케이스가 서로 인접되어 4개로 구성된다.
상기 짐벌 가이드유닛은 원형 링 형상인 어셈블리 링과, 상기 어셈블리 링의 회전저항을 줄이기 위해 상기 어셈블리 링에 구비된 베어링과, 상기 어셈블리 링의 안쪽에 위치되어 2축 회전자유도를 갖는 로터리 엔코더로 구성되고, 상기 코일로터와 상기 베어링을 매개로 연결된다.
상기 로터리 엔코더는 상기 어셈블리 링의 안쪽에서 회전되는 반원형상의 회전바에 결합된 제1축 엔코더와, 상기 제1축 엔코더에 90도 위상차를 갖도록 배열된 제2축 엔코더로 이루어진다.
상기 아우터요크와 상기 이너요크을 상기 짐벌 가이드유닛에 연결시켜주는 컬럼이 더 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 적어도 2축(x,y)방향의 구동토크가 출력되고, 2축(x,y)방향의 구동 회전축이 분리(decoupled)됨으로써 2축(x,y)방향의 토크 간 간섭발생이 해소되는 효과도 있다.
또한, 본 발명은 적어도 2축(x,y)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 적어도 2축(x,y)방향의 구동 토크를 이용함으로써, 구형모터의 기존 장점이 그대로 유지되면서도 성능은 크게 개선되는 효과도 있다.
또한, 본 발명은 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용한 회전자 구성으로 모터 내부공간에 짐벌가이드(Gymbal Guide)와 함께 엔코더센서(Encoder Sensor)가 내장됨으로써 모터 사이즈(Size)의 콤팩트(Compact)화를 크게 높이는 효과도 있다.
또한, 본 발명은 콤팩트(Compact)한 모터 사이즈(Size)를 가지면서도 분리(decoupled)된 적어도 2축(x,y)방향의 토크와 엔코더센서(Encoder Sensor)를 이용한 피드백제어로 토크 제어의 정밀도가 더욱 개선되는 효과도 있다.
또한, 본 발명은 짐벌가이드(Gymbal Guide)와 함께 엔코더센서(Encoder Sensor)가 내장된 콤팩트(Compact)한 모터 사이즈(Size)를 가짐으로써, 모터의 외부로 장착되던 기존에 비해 구형모터 자체의 활용성도 크게 높아지는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 센서내장형 구형 모터의 로터(Rotor)와 스테이터(Stator) 및 짐벌 가이드의 구성도이고, 도 2내지 도 4는 본 발명에 따른 스테이터(Stator)의 구성 및 조립도이며, 도 5내지 도 7은 본 발명에 따른 센서내장형 구형 모터의 코일로터(Coil Rotor)의 구성 및 조립도이고, 도 8은 본 발명에 적용된 따른 센서내장형 구형 모터의 작동원리이며, 도 9는 본 발명에 따른 센서내장형 구형 모터의 짐벌 가이드유닛 구성이며, 도 10은 본 발명에 따른 스테이터(Stator)와 코일로터(Coil Rotor) 및 짐벌 가이드유닛의 레이아웃 상태이고, 도 11은 본 발명에 따른 센서내장형 구형 모터의 조립상태이며, 도 12는 본 발명에 따른 센서내장형 구형 모터의 외관도이다.
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 센서내장형 구형 모터의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 센서내장형 구형 모터는 회전체인 로터(10,Rotor)와, 로터(10)에 연결되어 로터(10)의 회전을 통해 출력 토크를 발생하는 샤프트(20)와, 고정체인 스테이터(30,Stator)와, 스테이터(30)에 감겨져 전류가 흐르는 VC(Voice Coil)을 갖춘 코일로터(40, Coil Rotor)와, 스테이터(30)의 안쪽 공간으로 위치된 짐벌 가이드유닛(50)과, 스테이터(30)를 지지하는 컬럼(60)으로 구성된다.
상기 로터(10,Rotor)는 구형으로 이루어진다.
상기 스테이터(30)는 적어도 1개 이상의 아우터요크(31)와 이에 결합되는 적어도 1개 이상의 이너요크(37)로 이루어지고, 상기 아우터요크(31)와 상기 이너요크(37)의 사이에는 N극과 S극을 갖는 영구자석(35)이 적어도 1개 이상으로 구비된다.
본 실시예에서 아우터요크(31)와 이너요크(37)는 서로 조립되어 쌍을 이루고, 이를 통해 구형상의 일부를 이루는 구각형상으로 이룰 수 있다.
그러므로, 조립된 아우터요크(31)와 이너요크(37)의 쌍은 다수로 구성되고, 다수로 구성된 각각의 쌍이 서로 인접되게 연속적으로 이어짐으로써 스테이터(30)는 완전한 구 형상을 이루게 된다.
특히, 상기 영구자석(35)은 그 자화 방향이 구형 모터의 중심방향으로 자화가 되어 있고, 이로 인해 아우터요크(31)와 이너요크(37)의 사이에 영구자석(35)이 조립된 상태에서 자화 방향은 로터(10)를 향하게 된다.
상기 조립된 아우터요크(31)와 이너요크(37)의 쌍은 약 4개로 구성되지만, 모터 성능과 제조성을 고려해 4개 보다 적게 형성되거나 또는 더 많게 형성될 수 있다.
한편, 상기 코일로터(40, Coil Rotor)는 원형 링 형상인 어셈블리 링(41)과, 어셈블리 링(41)의 둘레에 결합되어 어셈블리 링(41)에서 적어도 1개 이상의 독립된 구간으로 분할된 코일프레임(42)으로 구성된다.
조립상태에서, 상기 코일로터(40)의 어셈블리 링(41)은 유닛(50)과 함께 연결됨으로써, 회전이 이루어질 때 짐벌 가이드유닛(50)으로 구속된 1축을 제외한 2축 방향으로만 회전하는 2축 자유도를 갖는다.
상기 코일프레임(42)에는 VC(Voice Coil)타입 코일이 감겨지고, 이는 이후 상세히 기술된다.
또한, 상기 짐벌 가이드유닛(50)은 원형 링 형상인 어셈블리 링(51)과, 어셈블리 링(51)의 안쪽에 위치된 로터리 엔코더(55)로 구성된다.
상기 로터리 엔코더(55)는 소형 로터리 엔코더가 적용된다
특히, 상기 짐벌 가이드유닛(50)은 어셈블리 링(51)이 코일로터(40)의 어셈블리 링(41)과 결합됨으로써, 짐벌 가이드유닛(50)은 코일로터(40)의 도움을 받아 2축 방향의 자유도로 회전되고 나머지 1축 방향의 자유도가 구속된다.
그리고, 상기 컬럼(60)은 구형 모터의 중량을 저감하도록 중공 파이프 타입으로 이루어지며, 상기 스테이터(30)의 구성요소를 짐벌 가이드유닛(50)에 연결시켜준다.
한편, 도 2는 스테이터(30)를 이루는 아우터요크(31)와 영구자석(35) 및 이너요크(37)를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 아우터요크(31)는 구각형상을 이루는 안착공간(32)을 형성하고, 안착공간(32)의 위쪽에서 안착공간(32)을 향해 경사지게 돌출된 어퍼보스(33)와 함께 안착공간(32)의 아래쪽에서 안착공간(32)을 향해 경사지게 돌출된 로어보스(34)를 형성한다.
상기 어퍼보스(33)와 상기 로어보스(34)에는 구각을 따르는 밀착면(33a,34a)이 각각 더 형성된다.
그러므로, 상기 아우터요크(31)에 이너요크(37)가 조립되면, 아우터요크(31)의 밀착면(33a,34a)에 이너요크(37)가 밀착됨으로써 서로 조립되어 쌍을 이루는 아우터요크(31)와 이너요크(37)는 구각 형상을 그대로 유지할 수 있다.
상기 영구자석(35)은 N극과 S극을 가지고, 그 자화 방향이 구형 모터의 중심방향으로 향한다. 또한 상기 영구자석(35)은 아우터요크(31)의 안착공간(32)에 밀착되도록 구각형상을 이룬다.
상기 이너요크(37)는 구각형상의 일부을 이루는 어퍼이너요크(38)와, 어퍼이너요크(38)에 결합(K)되어 완전한 구각형상을 이루는 로어이너요크(39)로 이루어지고, 상기 결합(K)은 요철(凹凸)구조와 함께 힌지핀을 이용한 힌지체결 방식이 적용된다.
일례로, 어퍼이너요크(38)가 요(凹)형상이면 로어이너요크(39)는 철(凸)형상을 이루거나 또는 그 역으로 형성되며, 요철(凹凸)구조를 관통하는 핀홀이 뚫려짐으로써 힌지핀이 체결된다.
또한, 상기 어퍼이너요크(38)와 상기 로어이너요크(39)에는 구각을 따르는 밀착면(38a,39a)이 각각 더 형성된다.
한편, 도 3과 도 4는 아우터요크(31) 및 영구자석(35)의 조립상태와 아우터요크(31) 및 이너요크(37)의 조립상태를 나타낸다.
도 3과 같이, 아우터요크(31)와 영구자석(35)의 조립작업은 아우터요크(31)의 안착공간(32)으로 영구자석(35)을 밀어 넣어 서로 결합시키는 간단한 동작만으로 이루어진다.
도 4와 같이, 이너요크(37)와 아우터요크(31)의 조립작업은 영구자석(35)이 결합된 아우터요크(31)에 이너요크(37)를 일치시켜 서로 결합시키는 간단한 동작만으로 이루어진다.
상기와 같이 아우터요크(31)와 이너요크(37)가 조립되면, 아우터요크(31)의 어퍼보스(33)에 형성된 밀착면(33a)에는 이너요크(37)의 어퍼이너요크(38)에 형성된 밀착면(38a)이 일치되고, 아우터요크(31)의 로어보스(34)에 형성된 밀착면(34a)에는 이너요크(37)의 로어이너요크(39)에 형성된 밀착면(39a)이 일치된 상태를 갖는다.
통상, 상기와 같은 조립상태에서, 이너요크(37)와 영구자석(35)사이에는 강한 자속으로 토크를 높이는 공극(Air Gap)이 형성되고, 아우터요크(31)와 이너요크(37)가 각각의 밀착면(33a,34a,38a,39a)으로 완전한 면착상태를 이룸으로써 상기 공극에서 균일하고 강한 자기장 형성이 촉진될 수 있다.
본 실시예에서 스테이터(30)는 아우터요크(31)와 영구자석(35) 및 이너요크(37)의 일체화된 구성이 모두 4개로 이루어지지만, 모터 성능과 제조성을 고려해 4개 보다 적게 형성되거나 또는 더 많게 형성될 수 있다.
한편, 도 5내지 도 7은 본 실시예에 따른 코일로터(40)의 구성과 그 조립상태를 나타낸다.
도 5와 같이, 상기 코일로터(40)는 원형 링 형상인 어셈블리 링(41)과, 어셈블리 링(41)의 둘레에 결합되어 4개 이상의 독립된 구간으로 분할된 코일프레임(42)으로 구성된다.
상기 어셈블리 링(41)은 짐벌 가이드유닛(50)의 어셈블리 링(51)과 볼트나 스크류 체결되고, 이를 위해 볼트나 스크류가 체결되는 4개의 관통홀(41a)이 형성되며, 상기 4개의 관통홀(41a)은 4개의 코일프레임(42)이 서로 인접되는 사이의 구간으로 형성된다.
그러므로, 코일로터(40)와 짐벌 가이드유닛(50)이 조립되면, 짐벌 가이드유닛(50)은 2축 방향의 자유도로 회전되도록 하고 나머지 1축 방향의 자유도가 구속될 수 있다.
도 6과 같이, 상기 코일프레임(42)은 사각 형태를 이루고 있는 보빈(43)과, 보빈(43)에 감겨진 VC(44, Voice Coil)와, 보빈(43)에 감겨진 VC(44, Voice Coil)를 가려주고 어셈블리 링(41)과 결합되는 케이스(45)로 구성된다.
상기 보빈(43)은 4개를 한쌍으로 구성하고, VC(44, Voice Coil)가 상기 보빈(43)에 각각 감겨짐으로써 4개를 한쌍으로 구성됨을 예로 들었지만, 모터 성능과 제조성을 고려해 4개 보다 적게 형성되거나 또는 더 많게 형성될 수 있다.
상기 케이스(45)는 적어도 1개 이상의 관통홀(48)이 뚫려진 한쌍의 플랜지(46,47)가 더 형성되며, 상기 한쌍의 플랜지(46,47)의 폭은 어셈블리 링(41)의 두께와 동일하거나 약간 크게 형성될 수 있다.
도 7과 같이, 상기 코일로터(40)가 조립되면, 원형 링 형상인 어셈블리 링(41)에는 4개의 코일프레임(42)이 각각 독립된 구간으로 분할된 상태로 어셈블리 링(41)의 둘레에 결합된다.
이때, 상기 코일프레임(42)의 결합작업은 케이스(45)의 한쌍의 플랜지(46,47)를 이용해 그 사이로 어셈블리 링(41)에 끼운 다음, 상기 한쌍의 플랜지(46,47)에 뚫린 관통홀(48)로 볼트나 스크류를 끼워준 후 어셈블리 링(41)과 체결함으로써 간단하게 수행될 수 있다.
한편, 도 8은 VCM(Voice Coil Motor)에서 구현되는 로렌츠법칙으로서, 이를 통해 VC(44, Voice Coil)를 갖춘 코일로터(40)가 적용된 구형 모터에서도 VCM(Voice Coil Motor)과 동일한 원리로 출력토크가 발생되는 원리를 알 수 있다.
그러므로, 본 실시예에 따른 센서내장형 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 9는 짐벌 가이드유닛(50)의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 짐벌 가이드유닛(50)은 원형 링 형상인 어셈블리 링(51)과, 어셈블리 링(51)의 회전저항을 줄이기 위해 어셈블리 링(51)에 구비된 베어링(52)과, 어셈블리 링(51)의 안쪽에 위치되어 2축 회전자유도를 갖는 로터리 엔코더(55)로 구성된다.
상기 베어링(52)에는 로터코일(40)에서 나온 축이 연결됨으로써 짐벌 가이드유닛(50)이 코일로터(40)와 결합된 상태에서 2축 방향의 자유도로 회전될 수 있다. 이러한 2축 자유도 원리는 통상적인 짐벌 가이드 시스템의 원리와 동일하다.
상기 로터리 엔코더(55)는 제1축 엔코더(56)와 제2축 엔코더(57)로 구성되며, 상기 제1축 엔코더(56)를 기준으로 할 때 상기 제2축 엔코더(57)는 제1축 엔코더(56)에 90도 위상차를 갖도록 배열된다.
상기 제1축 엔코더(56)는 반원형상의 회전바(58)를 매개로 결합되고, 상기 회전바(58)는 어셈블리 링(51)의 안쪽에서 회전되도록 힌지핀을 매개로 어셈블리 링(51)과 결합된다.
상기 제1축 엔코더(56)와 상기 회전바(58)는 마운팅 브래킷(59)을 매개로 결합되며, 이를 위해 제1축 엔코더(56)와 결합된 마운팅 브래킷(59)이 볼트나 스크류를 매개로 회전바(58)와 체결된다.
그리고, 상기 제2축 엔코더(57)는 어셈블리 링(51)에 직접 고정되며, 이를 위해 제2축 엔코더(57)와 결합된 마운팅 브래킷(59)이 볼트나 스크류를 매개로 어셈블리 링(51)과 체결된다.
한편, 도 10은 본 실시예에 따른 스테이터(Stator)와 코일로터(Coil Rotor) 및 짐벌 가이드유닛(50)은의 레이아웃 상태를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 코일로터(40)는 어셈블리 링(41)에 90도 간격으로 배열되고 각각에 VC(44, Voice Coil)를 갖춘 4개의 코일프레임(42)으로 구성된다.
상기 코일로터(40)를 기준으로 할 때, 상기 코일로터(40)의 안쪽공간으로는 회전바(58)를 매개로 어셈블리 링(51)의 안쪽에 위치된 제1축 엔코더(56)와 이에 대해 90도 로 교차된 제2축 엔코더(57)로 이루어진 짐벌 가이드유닛(50)이 조립되고, 상기 코일로터(40)의 바깥쪽공간으로는 서로 결합되어 일체화 된 아우터요크(31)와 영구자석(35) 및 이너요크(37)가 4개의 쌍으로 이루어진 스테이터(30)가 조립된다.
상기와 같은 조립상태에서, 스테이터(30)는 이너요크(37)가 영구자석(35)과 공극(S)을 형성해 토크를 높이는 강한 자속이 형성되도록 하며, 더불어 아우터요크(31)와 이너요크(37)가 각각의 밀착면(33a,34a,38a,39a)으로 완전한 면착상태를 이룸으로써 상기 공극(S)에서 균일하고 강한 자기장 형성이 촉진될 수 있다.
즉, 상기 아우터요크(31)와 상기 이너요크(37)가 만들어 주는 자기 폐루프로 인해 N극에서 나온 자속을 다시 S극으로 돌아가게끔 함으로써, 상기 공극(S)에서 영구자석에서 나온 자기장의 균일하고 원활한 흐름으로 자속의 세기가 크게 증가될 수 있다.
또한, 상기와 같은 조립상태에서, 코일로터(40)의 VC(44, Voice Coil)은 이너요크(37)의 중앙부위로 들어감으로써 VC(44, Voice Coil)에 흐르는 전류방향으로 이너요크(37)에서는 서로 상반되는 상하움직임이 발생되고, 이러한 이너요크(37)의 상하움직임은 결과적으로 구형 모터의 토크로 전환된다.
그러므로, 상기 코일로터(40)는 로터(10)의 회전모션을 원하는 방향으로만 회전하게끔 작용되고, 로터(10)는 짐벌 가이드유닛(50)을 매개로 원하는 방향으로 회전할 수 있게 된다.
도 11은 스테이터(Stator)와 코일로터(Coil Rotor) 및 짐벌 가이드유닛(50)이 조립된 후, 이에 로터(10)가 조립된 상태를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 회전체인 로터(10)는 안쪽으로 짐벌 가이드유닛(50)이 조립된 코일로터(40)의 어셈블리 링(41)에 안착되고, 상기 로터(10)가 코일로터(40)에 안착된 상태에서 로터(10)의 바깥 주변이 서로 결합되어 일체화 된 아우터요크(31)와 영구자석(35) 및 이너요크(37)로 감싸여 진다.
이러한 조립상태에서, 컬럼(60)은 서로 쌍을 이룬 아우터요크(31)와 이너요크(37)가 짐벌 가이드유닛(50)으로 연결되며, 상기 짐벌 가이드유닛(50)은 통상적인 짐벌 가이드 시스템으로 작용한다.
한편, 도 12는 본 실시예에 따른 센서내장형 구형 모터가 완전히 조립된 상태에서 그 외관형상을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 샤프트(20)가 로터(10)에서 인출되고, 스테이터(30)는 로터(10)를 바깥쪽에서 감싸면서 구 형상을 이룬다.
이를 위해, 상기 스테이터(30)는 아우터요크(31)와 영구자석(35) 및 이너요크(37)가 서로 결합되어 일체화 된 4개의 쌍으로 구성되고, 상기 4개의 쌍이 구 형상을 이루도록 90도 폭(a)으로 서로 인접되어 결합된다.
그러므로, 스테이터(30)가 아우터요크(31)와 영구자석(35) 및 이너요크(37)가 하나로 일체화 되어 90도 간격으로 배열된 4개의 쌍으로 구성되고, 코일로터(40)도 상기 스테이터(3)의 수량에 맞춰 4개의 VC(44, Voice Coil)로 구성됨으로써, 센서내장형 구형 모터는 4개의 VC(44, Voice Coil)가 서로 대향되는 위치로 배열된다.
이로 인해, 센서내장형 구형 모터가 구동되면, 적어도 로터(10)는 x방향 회전을 통한 토크와 y방향 회전을 통한 토크가 발생되고, 특히 x축과 y축(또는 z축)의 토크는 서로 서로 연관(coupling)됨이 없이 분리(decoupled)됨으로써 모터의 제어가 극히 용이하면서도 정밀한 위치제어가 가능할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 센서내장형 구형 모터는 아우터 요크와 영구자석 및 이너요크가 일체화되어 적어도 1개 이상으로 구성되고, 토크를 출력하는 샤프트가 구비된 로터(10,Rotor)를 구 형상으로 감싸는 스테이터(30,Stator)와; 전류가 흐르면 이너요크사이에서 일어나는 상하 움직임으로 적어도 2축 방향으로 로터(10,Rotor)를 회전시키는 코일로터(40, Coil Rotor)와; 코일로터(40, Coil Rotor)의 안쪽 공간으로 위치되고, 적어도 1개 이상의 엔코더가 구비된 짐벌 가이드유닛이 포함됨으로써 VCM(Voice Coil Motor)의 원리를 이용한 로렌츠 힘으로 전류에 선형적으로 비례하는 구동토크가 출력되고, 특히 스테이터(30)의 내부 공간에 짐벌(Gymbal)과 엔코더(Encoder)가 내장됨으로써 콤팩트(Compact)한 모터 사이즈(Size)가 가능할 수 있다.
10 : 로터(Rotor) 20 : 샤프트
30 : 스테이터(Stator) 31 : 아우터요크
32 : 안착공간 33 : 어퍼보스
33a,34a,38a,39a : 밀착면 34 : 로어보스
35 : 영구자석 37 : 이너요크
38 : 어퍼이너요크 39 : 로어이너요크
40 : 코일로터(Coil Rotor) 41,51 : 어셈블리 링
41a, 48 : 관통홀
42 : 코일프레임 43 : 보빈
44 : VC(Voice Coil) 45 : 케이스
46,47 : 플랜지
50 : 짐벌 가이드 유닛
52 : 베어링
55 : 로터리 엔코더 56 : 제1축 엔코더
57 : 제2축 엔코더 58 : 회전바
59 : 마운팅 브래킷 60 : 컬럼

Claims (12)

  1. 아우터 요크와 영구자석 및 이너요크가 일체화되어 적어도 1개 이상으로 구성되고, 토크를 출력하는 샤프트가 구비된 로터를 구 형상으로 감싸는 스테이터와;
    전류가 흐르면 상기 이너요크사이에서 상하로 움직이고, 상기 상하 움직임으로 적어도 2축 방향으로 상기 로터를 회전시키는 코일로터와;
    상기 코일로터의 안쪽 공간으로 위치되고, 적어도 1개 이상의 엔코더가 구비된 짐벌 가이드유닛;
    이 포함된 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 스테이터는 상기 아우터 요크와 상기 영구자석 및 상기 이너요크가 일체화된 쌍이 4개로 이루어지고, 상기 4개의 쌍이 서로 인접되도록 배열되어 상기 로터를 구 형상으로 감싸는 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 이너요크는 상기 영구자석과 공극(Air Gab)을 형성하도록 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 아우터요크는 구각형상을 이루어 상기 영구자석이 안착되고, 안착공간의 위쪽과 아래쪽으로 각각 상기 이너요크가 밀착되는 어퍼보스와 로어보스를 형성한 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 영구자석은 상기 로터의 중심을 향하는 자화 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 이너요크는 구각형상의 일부을 이루는 어퍼이너요크와, 상기 어퍼이너요크에 결합되어 완전한 구각형상을 이루는 로어이너요크로 이루어지고, 상기 어퍼이너요크와 상기 로어이너요크는 상기 아우터요크의 위쪽과 아래쪽으로 각각 형성된 어퍼보스와 로어보스에 밀착되는 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 어퍼이너요크와 상기 로어이너요크는 중간부위에서 요철(凹凸)구조와 함께 힌지핀으로 결합되는 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 코일로터는 VC(Voice Coil)이 구비되고, 상기 VC(Voice Coil)은 전류가 흐르면 상기 이너요크사이에서 상하로 움직이고, 상기 상하 움직임으로 적어도 2축 방향으로 상기 로터를 회전시키는 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 VC(Voice Coil)은 보빈에 감겨져 상기 이너요크의 중앙부위로 위치되고, 상기 보빈과 상기 VC(Voice Coil)는 케이스로 감싸이며, 상기 케이스는 원형 링 형상인 어셈블리 링에 결합되며, 상기 어셈블리 링에는 상기 케이스가 서로 인접되어 4개로 구성된 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 짐벌 가이드유닛은 원형 링 형상인 어셈블리 링과, 상기 어셈블리 링의 회전저항을 줄이기 위해 상기 어셈블리 링에 구비된 베어링과, 상기 어셈블리 링의 안쪽에 위치되어 2축 회전자유도를 갖는 로터리 엔코더로 구성되고, 상기 코일로터와 상기 베어링을 매개로 연결되는 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 로터리 엔코더는 상기 어셈블리 링의 안쪽에서 회전되는 반원형상의 회전바에 결합된 제1축 엔코더와, 상기 제1축 엔코더에 90도 위상차를 갖도록 배열된 제2축 엔코더로 이루어진 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 아우터요크와 상기 이너요크을 상기 짐벌 가이드유닛에 연결시켜주는 컬럼이 더 포함된 것을 특징으로 하는 센서내장형 구형 모터.
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