KR102613056B1

KR102613056B1 - 개선된 입도를 갖는 인코더리스 모터 및 사용 방법

Info

Publication number: KR102613056B1
Application number: KR1020187005084A
Authority: KR
Inventors: 티엔 판; 더그 도리티
Original assignee: 세페이드
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2023-12-12
Also published as: MX2018000783A; KR20180030901A; US11689125B2; CA2992787C; EA039407B1; JP2018523458A; AU2016297654A1; EA201890358A1; CA2992787A1; CN108028589A; JP7019907B2; EP3326275A1; US20210351727A1; WO2017015638A1; BR112018001118A2; US10972025B2; US20170025974A1; US20230421079A1; US10348225B2; EP3326275B1

Abstract

기판에 탑재되며, 자기 물질 코어를 갖는 코일 어셈블리를 갖는 고정자, 고정자에 탑재되며, 회전자에 반경 방향으로 배치되며 자기 코어를 넘어 연장되는 영구자석을 갖는 회전자, 및 영구 자석에 인접하여 기판 상에 탑재된 센서를 포함하는 DC 전기 모터가 제공된다. 모터의 작동 동안, 센서 상의 영구 자석의 통과는 실질적으로 노이즈 및/또는 포화 없이 가변 전압의 실질적인 정현파 신호를 생성하여, 인코더를 사용할 필요 없이 그리고 신호의 필터링 또는 신호-저감의 필요 없이 정현파 신호의 선형 부분들로부터 기판에 대한 회전자의 각위치가 결정되는 것이 허용된다.

Description

개선된 입도를 갖는 인코더리스 모터 및 사용 방법

본 출원은 2015년 7월 22일자로 출원된 "직류 모터의 정류 및 인코딩에 대한 간단한 중심 구현(Simple Centroid Implementation of Commutation and Encoding for DC Motor)"이라는 제목의 미국 가출원 제62/195,449호의 우선권의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 본원에 참조 병합된다.

본 출원은 일반적으로 본원과 함께 출원된 "분자 진단 분석 시스템(Molecular Diagnostic Assay System)"이라는 제목의 미국 특허 출원 제 _____ 호 (문서 관리 번호 85430-1017042-011610US); 2013년 3월 15일 출원된 "허니컴 튜브(Honeycomb tube)"라는 제목의 미국 특허 출원 제13/843,739호; 2002년 2월 25일자로 출원된 "유체 처리 및 제어(Fluid Processing and Control)"라는 제목의 미국 특허 제8,048,386호; 2000년 8월 25일자로 출원된 "유체 제어 및 처리 시스템(Fluid Control and Processing System)"이라는 명칭의 미국 특허 제6,374,684호와 관련되며; 이들 각각은 모든 목적을 위해 그 전체가 본 명세서에 참조 병합된다.

본 발명은 전기 모터, 특히 브러시리스 DC 전기 모터 분야에 관한 것으로, 그러한 모터에 대한 정류 및 인코딩에 관한 것이다.

브러시리스 DC(BLDC) 전기 모터의 정류는 홀-효과 센서를 사용하여 모터 작동 시 영구 자석의 움직임을 감지할 수 있다. 그러나 추가 위치 센서 및/또는 인코더 하드웨어를 사용하지 않고 DC 모터를 고도의 정확도와 높은 수준의 입도로 인코딩하도록 홀-효과 센서가 성공적으로 통합되지는 못했으며, 이러한 맥락에서의 그러한 그것의 유용성이 제한된다. 많은 경우, 모터-구동 요소의 성공적인 작동 및 적용은 모터-구동 요소의 위치(및 위치 변경)를 결정함에 있어서의 높은 정밀도와 분해능을 필요로 한다. 이는 소규모 장치에서 특히 중요할 수 있다. 그러한 응용 분야 중 하나는 예를 들어 진단 절차와 같은 분석 프로세스에서 유체 샘플을 조작하기 위해 펌프 및 주사기를 구동하는 것이다.

따라서, 매우 높은 분해능 및 위치 정확성으로 예를 들어 BLDC 모터의 인코딩과 같은 모터의 변위를 허용하는 시스템 및 방법이 필요하다. 상대적으로 단순한 하드웨어 및 소프트웨어로 그렇게 하는 것이 더욱 바람직하다.

일 측면에서, 본 발명은, 본 명세서에서 교시된 바와 같이 임의의 부가적인 인코더 하드웨어를 사용할 필요 없이 매우 높은 분해능 및 위치 정확도를 생성하는 브러시리스 DC 전기 모터를 인코딩하는 방법 및 시스템을 제공한다. 동일한 시스템 및 방법은 또한 모터의 정류도 제공한다. 일부 실시예에서, 이 시스템은 하드웨어 인코더 또는 위치 센서를 사용하지 않고 측정된 전압 신호의 노이즈 필터링 없이 브러시리스 DC 모터를 인코딩할 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명은 자기 코어를 포함하는 고정자, 고정자에 대해 탑재되며 회전자에 대해 반경 방향으로 배치된 복수의 영구 자석을 갖는 회전자, 및 회전자의 회전 중에 복수의 자석의 경로에 인접하여 배치되고 고정자에 대해 고정된 위치에 있는 하나 이상의 전압 센서를 포함하는 모터 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 상기 하나 이상의 센서와 통신 가능하게 결합되고 하드웨어 인코더 또는 위치-기반 센서의 사용을 필요로 하지 않고 및/또는 신호의 필터링 또는 노이즈 감소 없이 상기 하나 이상의 센서로부터의 전압 신호로부터 상기 모터의 변위를 결정하도록 구성된 프로세서 모듈을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 복수의 자석은 센서로부터의 신호가 실질적으로 노이즈가 없도록 고정자의 자기 코어를 넘어서 소정 거리(예를 들어, 약 1mm 이상) 연장된다.

일부 실시예에서, 시스템은 회전자의 회전 동안 측정된 전압 신호를 하나 이상의 센서 각각으로부터 수신하는 것으로서, 상기 신호는 회전자의 회전 동안 변화하는 전압의 실질적으로 정현파인 신호인 것; 및 상기 정현파 신호의 선형 부분들로부터 모터의 변위를 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 복수의 자석의 경로를 따라 분포된 적어도 2개의 센서를 포함하여, 적어도 2개의 센서 중 인접 센서로부터의 사인파 신호의 선형 부분이 교차함으로써 모터 변위를 결정하기 위한 신호의 결합된 선형 부분의 증가된 분해능 및 입도가 제공된다.

일부 실시예에서, 시스템은 기판에 탑재된 고정자 및 고정자에 탑재된 회전자를 갖는 DC 전기 모터를 포함한다. 고정자는 코어 및 전기 권선을 갖는 코일 어셈블리를 포함하며, 상기 코일 어셈블리는 외경, 근접 끝부분, 및 말단 끝부분을 갖는다. 상기 회전자는 (예를 들어, 실린더형 스커트에 탑재된) 외측 에지를 따라 배치된 영구 자석을 포함하며, 상기 회전자는 외경, 내경, 및 말단 에지를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 영구 자석은 (코일 어셈블리와 같은) 고정자의 자기 코어의 말단 끝부분을 넘어 연장된다. 상기 시스템은 영구 자석에 인접하여 기판에 장착된 하나 이상의 센서를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 회전자는 스커트의 말단 에지에서 인접한 자석의 반대 극성으로 교번하는 패턴으로 배열된 일련의 개별 영구 자석을 사용하여 제조된다. 일부 실시예에서, 회전자는 스트립, 링 또는 디스크의 형태로 자성 재료(예를 들어, 강자성 또는 페리 자성 재료)의 단일 피스로 정의되고, 그 다음에 스커트의 말단 에지에서 반대 자기 극성이 교번하는 패턴을 생성하도록 자화된다. 두 제조 방법 모두 본 발명과 함께 사용하기에 적합하다. 일부 실시예에서, 자성 재료의 코어인 코어는 전형적으로 금속 또는 다른 상자성 재료이다. 본 발명의 코어에 사용하기에 적합한 비-한정적인 예시적인 재료는 철, 특히 연철, 코발트, 니켈, 실리콘, 적층된 실리콘강, 실리콘 합금, 특수 합금(예를 들어, 뮤-금속, 퍼멀로이, 수퍼몰로이, 센더스트 ) 및 비정질 금속(예를 들어, 메트 글라스)을 포함한다. 상기 코어는 또한 공기를 포함할 수 있으며, 일부 실시예에서는 코어가 공기 코어이다. 모터의 작동 중에, 하나 이상의 센서를 통한 영구 자석의 통과는 실질적으로 노이즈 및/또는 포화 없이 실질적으로 가변 전압의 실질적인 정현파 신호(sinusoidal signal)를 생성하며, 그에 의해 인코더 하드웨어 또는 위치 센서를 사용할 필요 없이 상기 정현파 신호의 선형 부분들로부터 기판에 대한 회전자의 각위치가 결정되는 것이 허용된다. 따라서, 모터의 변위는 고도의 정확도 및 분해능으로 결정되고 제어될 수 있다. 예를 들어, 12 개의 영구 자석 및 9개의 폴을 포함하고 처리 모듈로서 3개의 홀 센서 및 11-비트 아날로그-디지털 변환기를 사용하는 본 명세서에 기재된 모터는 임의의 인코더 하드웨어 또는 위치 센서 또는 노이즈 필터링을 사용하지 않고 약 0.01도의 기계적 회전의 분해능을 전달할 수 있다. 폴의 개수, 영구 자석의 개수를 변경하거나 상위 또는 하위 비트 ADC를 사용하여 시스템의 분해능과 정확도를 높이거나 낮출 수 있다.

일부 실시예에서, 기판에 장착된 하나 이상의 센서는 영구 자석의 연장된 에지에 대해 위치된다. 위치는, 영구 자석의 연장된 에지로부터 하나 이상의 센서까지의 간극이 실질적으로 노이즈 및/또는 포화 없이 DC 전압 신호를 제공하기에 충분하도록 정의된다. 일부 실시예에서, 영구 자석의 에지는 코일 조립체의 말단 끝부분을 넘어 약 100 미크론까지 연장된다. 일부 실시예에서, 영구 자석은 모터의 특정 실시예에 따라 100 미크론 미만, 예를 들어 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10 미크론 이하로 코일 어셈블리의 말단 끝부분을 넘어 연장된다.

일부 실시예에서, 영구 자석은 100 미크론보다 큰, 예를 들어, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 미크론만큼 코일 어셈블리의 말단 끝부분을 넘어 연장하며, 이는 100 미크론과 1000 미크론 사이의 모든 값들을 포함하고, 또는 모터의 특정 실시예들에 따라 그 이상일 수 있다. 일부 실시예에서, 영구 자석은 코일 어셈블리의 말단 끝부분을 넘어 약 1mm 이상으로 연장되는데, 이에 한정되지는 않지만 약 1mm, 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 7mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm 또는 그 이상 연장된다. 영구 자석이 코일 조립체의 말단 끝부분을 지나 연장하는 정확한 거리는 모터의 특정 특성 및 실시예에 의존하며, 여기에 제공된 지침에 기초하여 결정하는 것은 당업자의 기술 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 회전자의 굽은 경로를 따라 공통 원호 길이만큼 이격된 선형 홀-효과 센서이다.

일부 실시예에서, 모터는 스커트의 말단 에지에서 반대 극성을 나타내는 인접한 자석을 갖는 원통형 스커트 주위에 균등하게 이격된 짝수개의 영구 자석 및 적어도 2개의 아날로그 전압 센서(일반적으로 홀-효과 센서)를 포함하고, 각각의 센서는 실질적으로 정현파 패턴으로 변동하는 전압을 생성한다. 일부 실시 예에서, 모터는 2개 이상의 아날로그 센서를 포함하고, 일부 실시예에서 아날로그 센서의 개수는 모터의 위상과 동일하다. 예를 들어, 3상 모터는 3개의 아날로그 센서의 사용에 의해 본 명세서에 기술된 바와 같이 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 모터는 모터의 위상에 관계 없이 하나의 아날로그 센서만을 포함한다. 3상 모터가 제공되는 일부 실시예에서, 3개의 홀-효과 센서가 사용되며, 각각은 실질적으로 정현파 패턴으로 변동하는 전압을 생성하며, 3개의 패턴은 모터가 작동 중일 때 약 120도만큼 위상-시프트된다. 일부 실시예에서, 센서의 최소 개수가 모터의 위상과 동일한 한, 부가 센서가 사용될 수 있다. 정확한 자석의 개수는 자석이 짝수인 한 변동할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 기계적 회전의 40도 간격으로 증분하도록 이격된 3개의 선형 홀-효과 센서 및 12개의 자석이 있다. 일부 실시예에서, 인접한 정현파 패턴의 교차점은 패턴의 선형 부분을 한정한다.

일부 실시예에서, 장치는 패턴의 정의된 선형 부분에서 전압 값의 아날로그-디지털 변환(ADC)을 가능하게 하고 아날로그 전압 패턴의 제로-크로싱 검출을 가능하게 하는 회로를 포함하는 PCB로 구성된다. 일부 실시예에서, 회로는 11-비트 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 패턴의 각 선형 부분에 대해 2048개의 등간격 디지털 값을 생성한다. 패턴의 선형 부분에 대한 이들 등간격 디지털 값은 시스템의 분해능을 나타낸다. 특정 모터에 대한 원하는 기능에 따라, 더 높거나 더 낮은 비트 수의 ADC를 사용하여 더 높거나 낮은 분해능이 달성될 수 있음이 이해된다. 일부 실시예에서, 회로는 칩 상에서 프로그램 가능한 시스템(PSOC)으로 구현된다. 또한, 비-PSOC 칩, 예를 들어, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 등이 회로를 구현하는데 사용될 수 있음이 더욱 이해된다.

일부 실시예에서, 모터의 변위를 제어하는데 사용되는 아날로그 신호의 추가적인 하드웨어 인코더 또는 위치-기반 센서 및/또는 노이즈-필터링을 사용할 필요 없이 고도의 입도를 갖는 DC 전기 모터를 인코딩하는 방법이 제공된다. 그러한 방법은, 고정자를 기판에 탑재하는 단계로서, 상기 고정자는 코어 및 전기 권선을 갖는 코일 어셈블리를 포함하고, 상기 코일 어셈블리는 외경, 근접 끝부분, 및 말단 끝부분을 갖는, 단계, 및 회전자를 상기 고정자에 탑재하는 단계를 포함하고 상기 회전자는 (예를 들어, 일반적으로 회전자가 회전하는 평면을 가로 질러) 코어의 말단 끝부분을 넘어 특정 방향으로 연장되는 외주에 탑재된 영구 자석을 갖는다.

상기 방법은 상기 DC 모터를 정류에 의해 작동하여 상기 영구 자석에 인접하여 상기 기판 상에 위치된 상기 적어도 하나의 센서 상으로 상기 영구 자석을 통과시키는 단계를 더 포함한다. 이 동작은 아날로그 신호의 노이즈-필터링이 요구되지 않도록 노이즈 또는 포화가 실질적으로 없는 가변 전압의 하나 이상의 정현파 패턴을 생성한다. 상기 방법은 또한 정현파 패턴의 선형 부분에 기초하여 회전자의 위치를 결정하는 것을 더욱 수반한다.

일부 실시예에서, 기판에 탑재된 하나 이상의 센서는 회전자의 영구 자석의 연장된 에지에 대해 위치되고, 노이즈 및/또는 포화 없이 DC 전압을 제공하기에 충분한 연장된 에지로부터 하나 이상의 센서까지의 간극을 갖는다. 일부 실시예에서, 전압은 약 2 내지 약 5 DC 볼트이다. 일부 실시예에서, 영구 자석의 연장된 에지는 코일 조립체의 말단 끝부분을 넘어서 약 1mm 이상 연장된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 선형 홀-효과 센서이다. 일부 실시예에서, 센서는 회전자의 굽은 경로를 따라 공통 원호 길이만큼 이격된다. 일부 실시예에서, 스커트의 말단 에지에서 반대 극성을 나타내는 인접한 자석을 갖는 원통형 스커트 둘레에 균일하게 이격된 짝수개의 영구 자석 및 3개의 홀-효과 센서가 있으며, 각각의 홀-효과 센서는 실질적으로 정현파 패턴으로 변동하는 전압을 생성하며, 3개의 패턴은 약 120도만큼 위상-시프트된다.

일부 실시예에서, 약 20 도의 기계적 회전의 간격으로 이격된 12개의 자석 및 3개의 선형 홀-효과 센서가 있다. 일부 실시예에서, 센서는 0도 내지 90도(예를 들어, 약 20도, 약 40도 또는 약 60 도의 기계적 회전) 사이의 임의의 반경 방향 거리와 같은, 일정한 반경 방향 거리만큼 서로 이격된다. 일부 실시예에서, 인접한 정현파 패턴의 교차점은 패턴의 선형 부분을 정의하고, 선형 부분은 실질적으로 노이즈가 없다. 일부 실시예에서, 기판은 패턴의 정의된 선형 부분의 전압 값의 아날로그-디지털 변환(ADC) 및 아날로그 전압 패턴의 제로-크로싱 검출을 가능하게 하도록 구성된 회로를 포함하는 인쇄 회로 기판(PCB)이다. 일부 실시예에서, 회로는 11-비트 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 패턴의 각 선형 부분에 대해 2048개의 등간격의 디지털 값을 생성한다. 일부 실시예에서, 회로는 칩 상의 프로그램 가능한 시스템(PSOC)으로 구현된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에서의 브러시리스 DC 전기 모터의 요소들을 도시한 평면도이다.
도 2a는 기판 상에 탑재된 도 1에 도시된 모터의 부분 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 영역(2b)의 확대된 입면도이며, 본 발명의 예시적인 실시예에서 자석과 센서 사이의 간격을 도시한다.
도 3a는도 2b의 기판(201)의 평면도이며, 본 발명의 예시적인 실시예에서 모터가 제거된 상태에서의 센서의 배치를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 인접한 영구 자석의 프린징 필드를 도시하고 말단 에지에서 교번하는 극성의 패턴으로 회전자에서의 영구 자석을 배치하는 것을 도시한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에서 모터 회전자의 영구 자석이 제1 홀-효과 센서를 통과함으로써 생성된 본질적으로 정현파인 가변 전압 패턴을 도시한다.
도 5는 회전자의 영구 자석이 제2 홀-효과 센서 상으로 통과함으로써 생성 된 정현파 가변 전압 패턴을 도시하며, 이 패턴은 도 4의 패턴 위에 중첩된다.
도 6은 회전자의 영구 자석이 제3 홀-효과 센서 상으로 통과함으로써 생성 된 정현파 가변 전압 패턴을 도시하며, 이 패턴은 도 5의 패턴 위에 중첩된다.
도 7은 도 6의 전압 패턴의 복사본이며, DC 모터를 매우 정밀하고 세분화된 방식으로 인코딩하기 위한 패턴을 사용하기 위한 프로세스를 도시하도록 추가로 나타낸다.
도 8은 도 7의 교차점들 사이의 직선 세그먼트를 도시하며 이는 본 발명의 예시적인 실시예에서 변위를 결정하는데 사용하기 위한 것이다.
도 9는 홀-효과 센서의 출력을 사용하여 DC 모터를 제어하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예의 회로를 도시하는 도면이다.
도 10은 PID 제어를 사용하여 모터 메커니즘의 PWM 및 구동 방향을 제어하는 제어 개요도이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시예에 따른 작동 중에 모터의 변위를 결정하는 방법을 도시한다.

도 1은 비-제한적인 예시적인 프로토타입에서의 브러시리스 DC(BLDC) 전기 모터(100)의 요소들을 도시하는 평면도이다. 이러한 모터는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있으며 높은 수준의 정확도 및 입도를 요구하는 소규모의 기계적 기구의 작동에 특히 유용함이 이해된다. 일부 실시예는 하드웨어 인코더 및/또는 노이즈 필터링 없이 모터 변위를 결정할 때 개선된 분해능을 갖는 모터 시스템을 포함하며, 상기 분해능은 예를 들어 약 0.1 도의 기계적 회전, 또는 바람직하게는 약 0.01도의 기계적 회전, 심지어 약 0.001도 이하의 기계적 회전의 분해능이다.

그러한 응용 분야 중 하나는 밸브 어셈블리의 미세-조정된 이동에 대한 복잡한 샘플 처리 및/또는 분석 절차를 용이하게 하기 위해 샘플 카트리지와 인터페이스하는 진단 분석 시스템의 밸브 조립체의 동작 또는 매우 정밀한 유체 계량을 달성하기 위한 주사기 구동의 동작이다. 그러한 응용의 예는 본원과 함께 출원된 "분자 진단 분석 시스템(Molecular Diagnostic Assay System)"이라는 제목의 미국 특허 출원 제 _____ 호 (문서 관리 번호 85430-1017042-011610US), 2002년 2월 25일자로 출원된 "유체 처리 및 제어(Fluid Processing and Control)"라는 제목의 미국 특허 제8,048,386호, 및 2000년 8월 25일자로 출원된 "유체 제어 및 처리 시스템(Fluid Control and Processing System)"이라는 명칭의 미국 특허 제6,374,684호에서 찾을 수 있으며, 이들의 전체 내용은 본 명세서에 참조 병합된다.

일 측면에서, BLDC는 회전자, 고정자, 및 필터링 또는 노이즈 감소에 대한 필요 없이 원활하게 변화하는 홀-효과 전압을 생성하도록 구성된 복수의 아날로그 전압 센서를 포함한다. 일부 실시예에서, 이 특징은 고정자의 자기 코어를 넘어서 소정 거리 연장된 회전자 내의 영구 자석의 사용에 의해 제공된다. 일부 실시예에서, BLDC는 모터의 위상과 동일한 수의 아날로그 전압 센서를 포함하며, 모터는 센서로부터 수신된 측정 전압 패턴의 선형 부분에만 실질적으로 기초하여 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 이것은 측정 전압 파형의 선형 부분이 교차하도록 고정자 주변 반경 방향으로 센서를 이격시키는 것을 포함한다. 예를 들어, 3상 BLDC는 서로 반경 방향으로 40도 간격으로 이격된 3개의 홀-효과 센서를 포함할 수 있으므로, 시스템이 센서의 위치를 40도 증가 이내에서 제어할 수 있다.

전술한 명세서에서, 본 발명은 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명이 이에 한정되지 않는다는 것을 인식할 것이다. 전체에 걸쳐서 사용된, "약"이라는 용어는 기재된 값의 ± 10%를 나타낼 수 있다. 전술 한 본 발명의 다양한 특징 및 측면은 개별적으로 또는 공동으로 사용될 수 있다. 여기에 기술된 실시예의 측면들들 또는 특징들 중 임의의 것이 본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 것으로뿐만 아니라 다양한 다른 유형 및 구성으로 수정, 결합 또는 통합될 수 있음이 이해된다. 또한, 본 발명은 명세서의 더 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 명세서에 기재된 것 이외의 임의의 수의 환경 및 애플리케이션에서 이용될 수 있다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

도 1에 도시된 것과 같은 일부 실시예에서, 모터는 중심으로부터 반경 방향으로 연장되는 9개의 폴 티스(pole teeth)를 구비하는 내부 고정자 조립체(101)를 포함하고, 각각의 폴 티스는 폴 슈(pole shoe)(103)에서 끝나고, 각각의 폴 티스는 전자기 코일(102)을 제공하는 권선을 갖는다. 모터는 외부 원통형 스커트(105) 및 스커트(105)의 내주 주위에 교번하는 극성으로 배열된 12개의 영구 자석(106)을 구비하는 외부 회전자(104)를 더 포함한다. 영구 자석은 폴 슈의 외부 곡면에 근접하여 회전자에 대한 원통형 내부 표면을 제공하도록 형상화된다. 이 예의 BLDC 모터는 3상, 12극 모터이다. 도 1에는 도시되지 않았지만, 제어들이 제공되며, 당업자에게 공지된 바와 같이, 회전자를 구동하기 위해 영구 자석(106)과의 전자기 상호 작용을 제공하는 코일(102)의 전류가 스위칭된다. 내부 고정자 및 외부 회전자가 여기에 설명되었지만, 이러한 접근법은 내부 회전자 및 외부 고정자를 갖는 모터에서도 사용될 수 있음이 이해된다.

본 발명에서, 폴 티스 및 극의 개수, 실제의 내부 고정자 및 외부 회전자의 개시가 예시적인 것이며, 본 발명을 제한하지 않고, 다양한 다른 설계의 모터로 작동 가능하다는 점에 유의하여야 한다.

도 2a는 측방향 정면도로서, 도 1의 모터의 단면을 부분적으로 나타내며, 외부 로터(104)의 원통형 스커트(105)의 내주 주변에 배열된 12개의 영구 자석(106) 중 하나에 근접하여 폴 슈(103)에서 끝나는, 9개 중 하나의 폴 티스 및 코일을 도시하기 위해 절단되었다. 고정자 조립체(101)의 폴 티스 및 폴 슈는 코어의 일부이며, 라인(204)의 높이에서 코어의 말단 끝 부분을 한정한다. 고정자 조립체(101)는 이 구현에서 기판(201) 상에 지지되는데, 이 기판은 일부 실시예에서 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함할 수 있으며, 회전자를 구동하기 위해 영구 자석(106)의 장(fields)과 상호 작용하는 전자기장을 제공하기 위해 코일(102)로의 전기 전류의 스위칭을 관리하도록 구성된 트레이스 및 제어 유닛을 포함할 수 있다. PCB 기판은 또한 인코딩 및 정류를 위한 제어 회로도 포함할 수 있다. 회전자(104)는 구동 샤프트(107)에 의해 고정자(101)와 물리적으로 체결되며, 이는 회전자를 정밀하게 회전시키도록 고정자 내의 베어링 어셈블리와 체결된다. 베어링의 상세는 도 2a에 도시되어 있지 않지만, 그러한 베어링이 구현될 수 있는 많은 종래의 방법이 존재함이 이해될 것이다. 이 실시예에서 구동 샤프트(107)는 PCB(107)에서 목적을 위해 개구를 통과하고 기계 장치를 구동하도록 체결될 수 있다.

3개의 선형 홀-효과 센서(202a, 202b 및 202c)가 도 2a에 도시되며, PCB(201)에 의해 지지되고, 모터(100)를 인코딩하고 정류하기 위한 프로세스에서 사용될 수 있는 가변 전압 신호를 생성하기 위해 일부 실시예에 따라 전략적으로 배치될 수 있다. 도 2a에서 회전자(104)의 스커트(105)의 전체 높이는 치수 D로 표시된다. 치수 d1은 라인(204)에서 자기 코어의 말단 끝부분 아래에서의 회전자 자석의 말단 끝부분의 연장을 나타낸다. 일부 실시예에서, 이 연장의 방향은 전형적으로 회전자가 회전하는 평면에 수직인 횡방향(transverse)이다.

도 2b는 도 2a의 영역(2b)의 확대된 정면도이며, 회전자(104)의 영구 자석의 말단 에지와 PCB(201)상의 홀 효과 센서(202a, 202b, 202c)의 구조체 사이의 간극(d2)을 도시한다.

도 3a는 도 2a의 화살표(3)의 방향으로 취해진 PCB(201)의 일부의 평면도이고, 회전자(104)의 말단 에지에 대한 홀-효과 센서(202a, 202b, 202c) 의 배치를 나타내며, 이는 도 2a에 나타난 것처럼 코어의 말단 에지 아래로 치수 d만큼 연장된다. 도 3에서, 12개의 영구 자석(106)을 포함하는 회전자(104)의 회전 트랙은 점선으로 표시된 윤곽선(302)으로 도시된다. 회전자는 정류의 상세에 따라 어느 방향(303)으로든 회전한다. 본 명세서에서 설명된 접근법은 회전자의 회전 방향에 관계 없이 사용될 수 있다는 것이 이해된다.

이러한 비-한정적인 예시적인 프로토타입에 도시된 바와 같이, 홀-효과 센서들(202a, 202b 및 202c) 각각은 회전하는 자석들의 중심 트랙(central track)의, 반경 방향으로, 내측을 향해, 회전자 자석들의 말단 에지 아래에 위치된다. 홀-효과 센서(202b)는 회전자의 자석의 회전 트랙을 따라 홀-효과 센서(202a)로부터 40도 원호에 위치된다. 유사하게, 홀-효과 센서(202c)는 홀-효과 센서(202b)로부터 회전자 트랙 주위로 추가 40도에 위치된다.

도 3b는 이 비-제한적인 예시적인 프로토타입에서의 2개의 홀-효과 센서(202a, 202b)와 관련한 3개의 영구 자석(106)의 사시도이다. 회전자 내의 영구 자석은 도 3b에 도시된 바와 같이 극성이 교대로 배치되고, 회전자의 말단 에지에서 프린징 필드(fringing fields)(304)가 인접한 영구 자석들 사이에서 나타난다. 아날로그 센서(예를 들어, 홀-효과 센서)가 프린징 필드를 감지하도록 배치되고 이격된 인접 영구 자석 사이의 프린징 필드들이며, 영구 자석의 내부 표면의 곡면은 회전하는 자석의 중심 트랙의, 반경 방향으로, 다소 내부로의 홀-효과 센서의 배치를 결정한다. 홀-효과 센서는 장치의 전체 크기 및 결정되는 자기장의 강도에 따라 1mm 이상(예를 들어, 2, 3, 4mm)과 같은 작은 거리만큼 내부에 배치될 수 있다. 검출 신호 내의 노이즈를 실질적으로 제거하기 위해 센서와 영구 자석 사이의 공간(즉, d2)이 최소화되는 것이 유리하다.

다시 도 2a를 참조하면, 치수(d1)는 라인(204)에서의 코어 단부 끝부분 아래의 회전자 자석의 말단 끝부분의 연장 거리를 나타낸다. 종래의 모터에서, 이 에지를 코어의 끝부분 아래로 연장시키는 이유 또는 동기가 존재하지 않는데, 이는 모터의 높이를 증가시킬 수 있고 회전자와 기판 사이의 증가된 간극을 필요로 하기 때문이다. 사실, 당업자라면 치수 D를 제한하여, 그러한 연장이 없도록 할 것이며, 이는 추가된 치수가 종래의 모터에서 불필요한 비용 및 벌크를 부가할 뿐이기 때문이다. 또한, 종래의 모터의 경우 회전자의 말단 끝부분에서, 코어의 말단 끝부분의 높이 또는 그 위에서, 코일(102) 내 전류의 스위칭은 상당한 전계 효과를 생성하고, 그 위치에서 영구 자석을 감지하도록 배치된 홀-효과 센서로부터의 신호는 완만하게 변화하는 홀-효과 전압을 생성하지 않을 것이다. 오히려, 종래의 모터에서는 실질적으로 노이즈 손상의 효과로 귀결된다. 이러한 딜레마에 대한 종래의 접근법은 노이즈-필터링을 도입하거나보다 더욱 일반적으로는 인코더를 이용하는 것이다.

유리하게는, 회전자 자석을 철심의 말단 끝부분 아래로 연장시키는 것은 홀-효과 센서로부터의 신호에 대한 고정자 코일로부터의 스위칭 자계의 손상 효과를 방지한다. 특정 연장(d1)은 특정 모터 배치에 특정한 몇몇 요인들에 의존할 것이며, 일부 실시예에서는 1mm 이상(예를 들어, 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm 이상)이 될 것이며, 반면에 다른 실시예에서, 연장은 1mm보다 작을 것이다. 일부 실시예에서, 거리는 영구 자석의 크기 및/또는 자기장의 강도의 함수이다. 본 명세서에서 설명된 예시적인 프로토타입의 일부 실시예에서, 1mm 연장은 노이즈 또는 포화 없이 가변 전압의 정현파 신호를 생성하기에 충분하다. 홀-효과 전압을 생성하기 위해 분리 d2에 홀-효과 센서를 배치하면 노이즈가 없는, 완만하게 가변하는 전압이 생성된다. 일부 실시예에서, 홀-효과 센서는 노이즈 또는 포화 없는 약 2V 내지 약 5V의 범위에서 완만하게 가변하는 DC 전압을 생성한다. 치수(d2)는 센서의 선택, 회전자의 설계, 회전자의 영구 자석의 강도 및 당업자에게 공지된 다른 인자에 따라 변할 수 있다. 센서의 포화를 방지하고 실질적으로 노이즈가 없는 완만하게 가변하는 DC 전압을 생성하기 위해 임의의 특정 상황에 대해 실행 가능한 분리가 용이하게 발견된다.

도 4는 3상 BLDC 모터에서 홀-효과 센서(202a)에 대한 회전자(104)의 영구 자석(106)의 통과에 의해 생성된 정현파 가변 전압 패턴(401)을 도시한다. 0도 시작점은 임의로 최대 전압 지점으로 설정된다. 3개의 완전한 사인 파형이 회전자의 360도 전체 회전에서 생성된다.

도 5는 홀-효과 센서(202b)에 대한 회전자(104)의 영구 자석(106)의 통과에 의해 생성된 실질적으로 노이즈 없는 정현파 가변 전압 패턴(501)을 도시하며, 501 패턴은 도 4의 401 패턴에 중첩된다. 홀 효과 센서(202b)는 홀 효과 센서(202a)의 위치로부터 40도의 원호 길이에 위치되므로, 정현파 패턴(501)은 정현파 패턴(401)의 위상과 120도만큼 위상-시프트 된다.

도 6은 홀-효과 센서(202c)에 대한 회전자(104)의 영구 자석(106)의 통과에 의해 생성되는 실질적으로 노이즈 없는 정현파 가변 전압 패턴(601)을 도시하며, 601 패턴은 도 4의 401 및 501 패턴에 중첩된다. 홀 효과 센서(202c)는 홀 효과 센서(202b)의 위치로부터 40도의 원호 길이에 위치되므로, 정현파 패턴(601)은 정현파 패턴(501)의 위상과 120도만큼 위상-시프트된다. 상기 패턴은 회전자의 각각의 360도 회전마다 반복됩니다.

도 7은 도 6의 전압 패턴의 복사본이며, 매우 정밀하고 세분화된 방식으로 모터(100)를 인코딩하기 위한 패턴을 사용하는 프로세스를 도시하는 추가의 표시가 나타난다. 3개의 전압 패턴(401, 501, 601)은, 홀-효과 센서가 동일하고, 동일한 거리에서 동일한 자기 프린지 필드를 감지하고 있기 때문에, 각각 실질적으로 동일한 최대 및 최소 피크를 갖는다. 또한, 패턴(401, 501, 601)은 다수의 포인트에서 교차하고, 포인트(701, 702, 703 및 704)는 그 예이다. 특히, 교차점들 사이의 패턴 세그먼트들은 실질적으로 직선이며, 이 직선 세그먼트는 도 7에서 강조되었고, 이는 연결된 직선 세그먼트들의 무한 연속 시퀀스를 제공하는 것으로 보여질 수 있다. 또한, 각각의 직선 세그먼트에 대한 제로-크로싱 포인트 및 각 패턴에 대한 최대 및 최소 피크가 감지되고 기록될 수 있다.

도 8은 도 7의 교차점(701, 702, 703) 사이의 2개의 직선 세그먼트를 도시한다. 비-한정적인 예로서, 교차점들(701 및 702) 사이의 세그먼트는 교차점들(701 및 702)에서의 전압을 감지하고 단순 분할로 편리하게 행해질 수 있는 20개의 동일-길이 세그먼트로 분할되어 도시된다. 하나의 패턴 교차점에서 다른 패턴 교차점까지의 회전자의 물리적 회전이 20 도의 모터 회전이기 때문에, 계산된 양만큼의 각각의 전압 변화는 20/20, 즉 회전자의 1.00 도의 회전을 나타낸다. 그러나 이것은 본 방법을 설명하기 위한 한 가지 예에 불과하다. 본 발명의 일부 실시예에서, PCB(201) 상의 회로는 교차점을 감지하고 2048 카운트를 제공하는 교차점들 사이의 11-비트 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 분할한다. 이 구현에서, 각 카운트에 대한 회전자(205)의 기계적 회전 이동은 약 0.0098도이다. 더 높은(또는 더 낮은) 비트 분해능의 ADC를 사용하면 시스템의 분해능이 증가(또는 감소)될 수 있다. 예를 들어, 8-비트 ADC를 사용하면 각 카운트가 약 0.078 도로 분해되고, 16-비트 ADC는 각 카운트를 0.00031 도로 분해하고, 20-비트 ADC를 사용하면 각 카운트를 약 0.00002 도로 분해할 수 있다. 선택적으로 폴의 개수를 늘리거나 줄임으로써 시스템의 분해능이 상응하여 증가하거나 감소할 것이다.

일부 실시예들에서, 본원에 기술된 접근법들은 모터(100)에 의해 구동되는 메커니즘들에 대한 고도의 정확도 및 정밀도를 제공한다. 11-비트 ADC를 사용하는 전술한 비-제한적인 예에서, 모터 위치는 기계적으로 0.0005 도씩 제어될 수 있다. 기어 감소와 결합하여 기계 장치의 이동 및 회전에 대한 매우 미세한 제어가 가능하다. 일부 실시예에서, 모터(100)는 분석 화학 공정에서 유체를 흡입 및 배출하기 위한 주사기-펌프 유닛을 위한 병진 구동 장치에 결합된다.

도 9는 홀-효과 센서의 출력을 이용하여 모터(100)를 제어하기 위한 본 발명의 일 실시예의 회로 및 센서에 의해 생성된 상-분리된 곡선의 선형 부분만을 분석하는 특유의 방법을 도시하며, 선형 부분은 전술한 바와 같이 분할된 동일 세그먼트로 분할된다. 홀-효과 센서(202a, 202b)의 출력은 정류 목적을 위한 PID(proportional-integral-derivative) 모션 제어 회로에 제공되고, 회전자 자석과 홀-효과 센서의 상호 작용에 의해 생성된 파형은 도 9에 나타난 바와 같이 멀티플렉서 회로에 제공된다. 일부 실시예에서, 모터의 변위는 모터의 2개 이상의 센서에 의해 측정된 전압의 2개 이상의 정현파 곡선으로부터 얻어진 선형 부분(예를 들어, 지그재그)에 기초하여 제어될 수 있다.

도 10은 PID 제어기를 이용하여 모터의 펄스-폭-변조(PWM) 및 구동 방향을 조절하는 제어를 도시하는 제어 개략도이다. PID 제어기는 측정된 위치뿐만 아니라 모터 변위의 원하는 위치의 입력을 포함한다. 종래의 장치에서, 측정된 인코더 위치는 하드웨어 인코더 또는 위치-기반 센서에 의해 제공되지만, 일부 실시예에서, 이 입력은 임의의 하드웨어 센서 또는 위치-기반 센서의 사용을 필요로 하지 않고 아날로그 센서로부터의 측정된 전압의 선형 부분에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 여기에서 설명된 접근법은 제어 구성을 달리 변경하지 않고, 하드웨어 인코더에 의해 통상적으로 제공되는 입력의 결정을 허용한다. 그러나, 처리 유닛이 인코더 위치 입력을 결정하도록 적응될 것임이 이해된다.

도 11은 일부 실시예에 따른 방법을 도시한다. 이 방법은 외주에 대해 분포된 영구 자석을 갖는 회전자와 자기 코어를 갖는 고정자를 갖는 DC 모터를 작동시키는 단계를 포함한다. 모터의 작동 중에, 시스템은 고정자에 대해 고정된 위치에서 적어도 2개의 아날로그 센서 각각으로부터 아날로그 사인파 신호를 수신하고, 센서는 사인파 신호가 서로 오프셋되도록 서로 이격된다. 이 시스템은 적어도 모터 회전 경로의 일부분을 따라 균일하게 분포된 홀-효과 센서와 같은 다중 아날로그 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 구성은 도 3a에 도시된 바와 같이 서로 약 40도만큼 분리된 적어도 3개의 그러한 센서를 포함한다. 이후, 시스템은 오프셋 사인파 신호의 선형 부분을 기반으로 모터의 변위를 결정한다. 모터의 변위는 시스템에 의해 사용되어 시스템의 다양한 다른 프로세스 또는 기능을 알리거나, PID 컨트롤러와 같은 컨트롤러로의 입력으로서 모터 변위를 포함하는 제어 루프를 사용하여 모터를 제어하는데 사용될 수 있다. 일부 측면에서, 이러한 접근법은 진단 분석 시스템 또는 다른 그러한 유체 처리 시스템에서 소규모 밸브 메카니즘 또는 주사기 구동 메카니즘의 동작을 용이하게 하거나 미세-조정하는데 사용될 수 있다.

비-제한적인 예시적인 실시예에서 전술한 바와 같이, ADC는 예를 들어, DRV83 13 텍사스 인스트루먼트 모터 구동 회로에 의해 구동될 수 있는 모터(100) 및 위상-분리된 파형의 직선 부분의 분할을 생성하는데 사용된다. 이 접근법의 범위에 여전히 속하면서 사용될 수 있는 회로의 다른 배열이 존재하는 것으로 이해된다. 일부 실시예에서, 홀-효과 센서를 감지하고 모터 인코딩을 제공하기 위한 회로 및 코딩된 명령들은 PCB상의 PSOC(programmable system on chip)에서 구현될 수 있다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 명세서에 설명된 실시예에서 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 알 수있다. 예를 들어, 상이한 설계의 전기 모터가 본 발명의 다른 실시예들에서 통합되고 제어될 수 있으며, 이는 실질적으로 사인파 위상-분리 파형을 생성하는 센서 배치에 의해, 회로가 결과적인 교차 곡선의 실질적으로 직선인 부분만을 고려하는 방식으로 이루어질 수 있고, 모터의 기계적 설계에 따라 전압 증분을 회전자 또는 고정자 회전의 부분(fractions)과 관련되는 동일한 공지 세그먼트로 효과적으로 분할하고, 직선 부분을 동일한 길이의 세그먼트로 분할함으로써 추가 분해능이 제공된다.

상이한 설계의 전기 모터는 본 발명의 대안적인 실시예에서 회로가 실질적으로 사인파 위상 분리 파형을 생성하도록 센서를 배치함으로써 통합되고 제어 될 수 있는데, 이는 회로가 결과적인 교차하는 모터의 기계적 설계에 따라, 회 전자 또는 고정자 회전의 분수와 관련되는 동일한 알려진 세그먼트로 전압 증분을 효과적으로 나누어서, 직선 부분을 동일한 길이 세그먼트로 분할함으로써 제공되는 추가 분해능을 갖는 곡선을 포함한다.

본 발명에 따른 DC 전기 모터의 일부 비-제한적인 예시적인 용도 및 응용예는 다음을 포함한다 :

진단 응용 : 유체 시료의 고-처리량 처리 및 진단 분석 수행에 사용하기 위한 로봇의 사용이 증가함에 따라, 기계적 메커니즘의 고분해능 제어가 매우 유용하게 되었다. 특히, 진단 장치가 보다 효율적이고보다 작은 샘플 크기를 요구하는 소규모 및 마이크로 장치의 추세로 기울어짐에 따라, 소규모 운동에 대한 제어가 특히 중요하다.

의료 응용 : 원격 수술 기술을 위한 로봇의 사용이 증가함에 따라, 원격 제어된 구현들의 매우 잘 제어된 이동이 필수적이게 되었다. 예를 들어, 망막 세포 또는 신경 종말의 조작이 미세 분해능의 움직임을 필요로 하는 안과학 또는 신경학 과정들이 그러하다. 인간의 눈으로 조정할 수 있는 것보다 훨씬 더 미세한 이러한 움직임을 달성하기 위해, 컴퓨터가 적절한 센서의 피드백과 함께 액추에이터를 움직이는데 사용된다. 본 명세서에 개시된 고분해능 위치 인코딩 능력을 갖는 모터는 이러한 섬세한 과정을 수행함에 있어서 컴퓨터를 보고하고 및 그에 따라 외과의를 보조할 수 있다.

반도체 제조 : 반도체 디바이스 제조 시스템은 실리콘 웨이퍼 및 조작 암의 미세 이동에 의존한다. 이러한 움직임은 위치 피드백을 통해 조절된다. 본원에 개시된 바와 같은 고분해능 위치 인코딩 능력을 갖는 모터가 이들 분야에 적합하다.

우주선 및 위성 원격 측정 : 고분해능 각 위치 피드백은 정확한 표적화 및 안테나 위치 결정에 사용될 수 있다. 특히, 위성 통신 안테나 접시는 궤도를 선회하는 위성을 정확하게 추적할 필요가 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같이 모터로부터의 정확한 각도 피드백과 결합된 위성 궤적은 안테나에 탑재되어 안테나로부터의 전력 스펙트럼이 정확한 추적을 보조할 수 있다. 또한, 여기에 기술된 바와 같은 모터는 작고, 싸고 견고하기 때문에, 인공위성 및 당해 기술 분야의 당업자에게 잘 알려진 다른 외계 응용에 사용하기에 이상적인 선택이다.

원격 제어 차량들 : 본 명세서에 개시된 모터의 소형 및 감소 된 비용은 무인 항공기를 포함하는 원격 제어 차량 응용에 사용하는 것이 바람직하다. 특히 모터의 고분해능 위치 인코딩 기능은 원격 제어 차량의 상업용 및 오락용으로 조향 (방향 제어) 및 가속 (전력 제어)에 이상적이다. 추가 사용이 당업자에게 명백 할 것이다.

상기에 더하여, 당업자는 이와 같이 장착되고 감지되는 모터에 대한 세밀한 제어를 제공하도록 회로가 구성될 수 있는 다양한 방법이 있음을 인식할 것이다. 본 발명은 다음의 청구 범위에 의해서만 제한된다.

Claims

DC 전기 모터로서,
기판에 탑재되며, 자기 물질 코어 및 전기 권선을 갖는 코일 어셈블리를 포함하는 고정자로서, 상기 코일 어셈블리는 외경, 근접 끝부분, 및 말단 끝부분을 갖는, 고정자;
상기 고정자에 탑재되며, 실린더형 스커트에 탑재된 영구 자석을 포함하는 회전자로서, 각각의 자석은 말단 에지를 가지며, 상기 회전자는 외경 및 내경을 갖고, 상기 영구 자석의 말단 에지는 상기 회전자가 수평으로 배향된 때 수직 방향에서 자기 물질 코어를 넘어 연장되는, 회전자; 및
상기 영구 자석에 인접하여 상기 기판의 상기 영구 자석을 향하는 표면 상에 탑재된 복수의 센서; 및
상기 복수의 센서와 통신 가능하게 결합된 처리 모듈을 포함하고,
상기 영구 자석 각각의 연장된 말단 에지와 상기 복수의 센서 사이의 간격은, 상기 모터의 동작 동안 상기 영구 자석의 상기 복수의 센서 상으로의 통과가 노이즈 및 포화 없이 가변 전압의 복수의 정현파 신호를 생성하도록 정의되며,
상기 처리 모듈은,
상기 회전자의 회전 동안 상기 복수의 센서로부터 복수의 전압 신호를 수신하되, 각각의 신호는 선형 부분을 갖는 정현파 신호이며, 하드웨어 인코더의 사용 없이, 그리고 상기 전압 신호의 임의의 노이즈-감소 또는 필터링 없이 선형 부분들을 포함하는 복수의 정현파 신호들로부터 상기 모터의 변위를 결정하도록 구성되는, DC 전기 모터.
청구항 1에 있어서,
상기 기판에 탑재된 상기 복수의 센서는 상기 영구 자석의 연장된 에지에 대해 위치되고, 노이즈 또는 포화 없이 2 내지 5 직류 전압(volts DC)의 전압을 제공하기에 충분하도록 상기 영구 자석의 상기 연장된 에지로부터 상기 복수의 센서로의 간극을 갖는, DC 전기 모터.
청구항 2에 있어서,
상기 영구 자석의 상기 연장된 에지는 상기 코일 어셈블리의 상기 말단 끝부분을 넘어 1 mm 이상 연장되는, DC 전기 모터.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 센서는 상기 회전자의 굽은 경로(arcuate path)를 따라 공통 원호 길이(common arc length)만큼 이격된 선형 홀 효과 센서인, DC 전기 모터.
청구항 4에 있어서,
상기 실린더형 스커트 주위에서 동등하게 이격된 짝수의 영구 자석으로서, 인접 자석들은 상기 실린더형 스커트의 말단 에지를 따라 반대 극성을 나타내는, 영구 자석; 및
3개의 홀-효과 센서들을 포함하며,
각각의 홀-효과 센서는 정현파 패턴으로 변동하는 전압을 생성하고,
상기 모터가 작동할 때 3개의 패턴은 120도로 위상-시프트되는, DC 전기 모터.
청구항 5에 있어서,
40도의 기계적 회전의 증가로 이격된 3개의 선형 홀 효과 센서들 및 12개의 자석들을 포함하는, DC 전기 모터.
청구항 5에 있어서,
인접 정현파 패턴의 교차부는 패턴의 선형 부분을 한정하는, DC 전기 모터.
청구항 6에 있어서,
상기 기판은, 패턴의 한정된 선형 부분에서의 전압 값의 아날로그-디지털-변환(ADC) 및 아날로그 전압 패턴의 제로-크로싱 검출(zero-crossing detection)을 가능케 하는 회로를 포함하는 인쇄 회로 기판(PCB)인, DC 전기 모터.
청구항 8에 있어서,
상기 회로는 11-비트 아날로그-디지털 컨버터를 이용하여 패턴의 각각의 선형 부분에 대해 2048개의 균등-이격된 디지털 값들을 생성하는, DC 전기 모터.
청구항 8에 있어서,
상기 회로는 칩 온 프로그래머블 시스템(PSOC)에서 구현되는, DC 전기 모터.
DC 전기 모터를 인코딩하는 방법으로서,
고정자를 기판에 탑재하는 단계로서, 상기 고정자는 자기 물질 코어 및 전기 권선을 갖는 코일 어셈블리를 포함하고, 상기 코일 어셈블리는 외경, 근접 끝부분, 및 말단 끝부분을 갖는, 단계;
회전자를 상기 고정자에 탑재하는 단계로서, 상기 회전자는 실린더형 스커트에 탑재된 영구 자석을 포함하고, 각각의 자석은 말단 에지를 가지며, 상기 회전자는 외경 및 내경을 갖고, 상기 영구 자석의 말단 에지는 상기 회전자가 수평으로 배향된 때 수직 방향에서 상기 코일 어셈블리를 넘어 연장되는, 단계;
복수의 센서를 상기 영구 자석에 인접한 상기 기판의 상기 영구 자석을 향하는 표면 상에 위치시키는 단계로서, 상기 영구 자석 각각의 연장된 말단 에지와 상기 복수의 센서 사이의 간격은, 상기 모터의 동작 동안 상기 영구 자석의 하나 이상의 센서 상으로의 통과가 노이즈 및 포화 없이 가변 전압의 정현파 신호를 생성하도록 정의되는, 단계;
상기 DC 전기 모터를 정류에 의해 작동하여 상기 복수의 센서 상으로 상기 영구 자석을 통과시켜, 노이즈 및 포화 없이 가변 전압의 복수의 정현파 패턴을 생성하는 단계; 및
상기 정현파 패턴의 선형 부분을 포함하는 상기 복수의 센서로부터의 상기 복수의 신호로부터 상기 회전자의 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 기판에 탑재된 상기 복수의 센서는 상기 회전자의 상기 영구 자석의 연장된 에지에 대해 위치되고, 노이즈 또는 포화 없이 2 내지 5 직류 전압(volts DC)의 전압을 제공하기에 충분하도록 상기 연장된 에지로부터 상기 복수의 센서로의 간극을 갖는, 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 영구 자석의 상기 연장된 에지는 상기 코일 어셈블리의 상기 말단 끝부분을 넘어 1 mm 이상 연장되는, 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 복수의 센서는 상기 회전자의 굽은 경로(arcuate path)를 따라 공통 원호 길이(common arc length)만큼 이격된 선형 홀 효과 센서인, 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 실린더형 스커트 주위에서 동등하게 이격된 짝수의 영구 자석으로서, 인접 자석들은 상기 스커트의 상기 말단 에지에서 반대 극성을 나타내는, 영구 자석; 및
3개의 홀-효과 센서들을 포함하며,
각각의 홀-효과 센서는 정현파 패턴으로 변동하는 전압을 생성하고,
3개의 패턴은 120도로 위상-시프트되는, 방법.
청구항 15에 있어서,
40도의 기계적 회전의 증가로 이격된 3개의 선형 홀 효과 센서들 및 12개의 자석들을 포함하는, 방법.
청구항 15에 있어서,
인접 정현파 패턴의 교차부는 패턴의 선형 부분을 한정하는, 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 기판은, 패턴의 한정된 선형 부분에서의 전압 값의 아날로그-디지털-변환(ADC) 및 아날로그 전압 패턴의 제로-크로싱 검출(zero-crossing detection)을 가능케 하는 회로를 포함하는 인쇄 회로 기판(PCB)인, 방법.
청구항 18에 있어서,
상기 회로는 11-비트 아날로그-디지털 컨버터를 이용하여 패턴의 각각의 선형 부분에 대해 2048개의 균등-이격된 디지털 값들을 생성하는, 방법.
청구항 18에 있어서,
상기 회로는 칩 온 프로그래머블 시스템(PSOC)에서 구현되는, 방법.
모터 시스템으로서
자기 코어를 포함하는 고정자;
상기 고정자에 대해 회전 가능하게 탑재된 회전자로서, 상기 회전자는 상기 회전자에 대하여 반경 방향으로 분포된 복수의 영구 자석을 갖고, 상기 영구 자석 각각은 말단 에지를 가지며, 상기 회전자는 외경 및 내경을 갖고, 상기 영구 자석의 말단 에지는 상기 회전자가 수평으로 배향된 때 수직 방향에서 상기 자기 코어를 넘어 연장되는, 회전자;
상기 고정자에 대해 고정된 위치에서의 그리고 상기 회전자의 회전 동안 복수의 영구 자석의 경로에 인접한 기판의 상기 영구 자석을 향하는 표면 상에 배치된 복수의 센서; 및
상기 복수의 센서와 통신 가능하게 결합된 처리 모듈을 포함하고,
상기 영구 자석 각각의 연장된 말단 에지와 상기 복수의 센서 사이의 간격은, 상기 모터의 동작 동안 상기 영구 자석의 상기 복수의 센서 상으로의 통과가 노이즈 및 포화 없이 가변 전압의 정현파 신호를 생성하도록 정의되며,
상기 처리 모듈은,
상기 회전자의 회전 동안 상기 복수의 센서로부터 복수의 전압 신호를 수신하고,
상기 신호의 임의의 노이즈-감소 또는 필터링 없이 그리고 하드웨어 인코더 또는 위치-기반 센서를 사용할 필요 없이 상기 복수의 센서로부터의 상기 복수의 전압 신호로부터 상기 모터의 변위를 결정하도록 구성되는, 시스템.
청구항 21에 있어서,
각각의 정현파 신호는 선형 부분들을 포함하고,
상기 처리 모듈은:
상기 회전자의 회전 동안 상기 복수의 센서 각각으로부터 측정된 전압 신호 - 상기 신호는 상기 회전자의 회전 동안 가변 전압의 정현파 신호임 - 를 수신하고; 및
상기 정현파 신호들의 상기 선형 부분들을 포함하는 상기 복수의 전압 신호로부터 상기 모터의 변위를 결정하도록 더욱 구성되는, 시스템.
청구항 21에 있어서,
상기 복수의 자석은 상기 회전자의 자기 코어를 1 mm 이상 넘는 거리로 연장되고 그에 따라 상기 복수의 센서로부터의 신호는 노이즈가 없는, 시스템.
청구항 21에 있어서,
상기 복수의 센서는 복수의 자석의 경로를 따라 배치된 적어도 2개의 센서를 포함하고, 그에 따라 상기 적어도 2개의 센서들의 인접 센서들로부터의 정현파 신호의 선형 부분이 교차하여, 모터 변위의 결정을 위해 신호들의 결합된 선형 부분들의 증가된 분해능 및 입도가 제공되는, 시스템.
청구항 21에 있어서,
소-스케일 메커니즘(small-scale mechanism)을 더 포함하고
상기 모터는 상기 소-스케일 메커니즘의 미세-조정 동작을 위해 구성되고,
상기 모터는 0.1도 이하의 기계적 회전 분해능을 갖는, 시스템.
청구항 21에 있어서,
주사기 구동 또는 밸브 어셈블리를 갖는 진단 분석 시스템을 더 포함하고,
상기 모터 시스템은, 정밀한 유체 계량을 달성하기 위한 상기 주사기 구동의 동작을 위해 구성되거나, 상기 밸브 어셈블리의 미세-조정된 이동에 대한 복잡한 샘플 처리를 용이하게 하는 상기 밸브 어셈블리의 동작을 위해 구성되는, 시스템.