KR20030045330A

KR20030045330A - 스태핑 모터

Info

Publication number: KR20030045330A
Application number: KR1020010075969A
Authority: KR
Inventors: 이인호
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2003-06-11
Also published as: US20030102726A1; JP2003169459A; KR100443737B1; US6713936B2; JP3675772B2; CN1423398A

Abstract

본 발명은 스태핑 모터를 개시한다.

본 발명은, 원주 방향으로 N,S극이 교대로 복수 착자된 원통형의 마그네트 및 이 마그네트의 중심에 일단부가 결합되며 베어링에 의해 회전 지지되는 샤프트로 구성된 로터와; 상기 마그네트의 축방향으로 측부에 공극을 두고 고리형으로 권선되는 코일 및 중앙에 축구멍이 형성된 원통형상으로 그 내면에 코일이 구비되며, 마그네트와 동심을 이루도록 배치되면서 외주연이 등간격으로 분할 연장되어 마그네트의 외경면에 공극을 두고 대향 배치되는 제1폴티스를 형성하는 외부요크와, 소경의 일단부가 상기 코일의 내주연에 끼워지며 대경의 타단은 코일의 측부를 차폐하면서 분할 연장되어 상기 제1폴티스와 교호적으로 배치되는 제2폴티스를 형성하는 내부요크로 구성되는 스태이터로 이루어진다.

Description

스태핑 모터{Stepping motor}

본 발명은 펄스전력에 대응하여 회전운동을 하는 스태핑 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마그네트와 요크를 축방향으로 배치시키고, 요크의 일단을 마그네트의 일부를 감싸는 형태로 형성하여 소형화를 가능케 하면서 안정된 구동특성을 보장하는 스태핑 모터에 관한 것이다.

일반적으로 스태핑 모터(stepping motor)는 샤프트의 위치를 검출하기 위한 피드백 없이 정해진 각도를 회전하고 상당히 높은 정확도로 정지할 수 있으면서, 다른 모터에 비해 정지시 매우 큰 정지토크를 보유하기 때문에 별도의 전자 브레이크 등의 위치 유지기구를 필요로 하지 않으며 회전속도도 펄스(pulse rate)에 비례하므로 간편하게 제어할 수 있는 구동특성을 갖는다.

이러한 특성으로 인하여 상기 스태핑 모터는 기계적인 이동량을 정밀하게 제어하는 일에 주로 사용되고 있으며, 특히 펄스(pulse)에 의해 디지털(digital)적으로 제어하는 것이 가능하므로 소형 정밀 전자기기 등의 구동원으로도 널리 사용되고 있다.

일예로 상기 스태핑 모터는 프린트 헤드의 인자 위치 제어나, X-Y Plotter의 펜위치 제어 또는 floppy disk 및 각종 디스크롬의 head 위치 제어, 지폐 계수기, 봉재기기, 전동 타자기, 팩시밀리 등과 같이 다양한 전자기기의 정밀 제어 구동원으로 사용되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 스태핑 모터를 나타낸 단면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 스태핑 모터를 나타낸 사시도로서, 이에 나타내 보인 바와 같이 스태핑 모터는 크게 로터(rotor)와 스태이터(stator)로 대별된다.

로터는 샤프트(s)와 마그네트(m)로 구성되는 바, 이때의 상기 샤프트(s)는 소정의 길이를 갖는 출력단으로서, 제1,2커버플레이트(c1),(c2)의 중심면에 결합되어 있는 복수개의 베어링(b)에 끼워져 일방향 또는 역방향으로 회전 가능하게 지지된다. 이러한 샤프트(s)의 일단부 외주연으로는 마그네트(m)가 구비되며, 이 마그네트(m)는 대략 원통형상으로 그 외주면에 N,S극이 교대로 착자되는 구성이다.

한편, 상기 마그네트(m)는 후술할 스태이터의 내주면에 구비된 코일(130),(230)과 일정 공극을 형성하면서 대향 배치되게 구성됨으로써 상호 작용에 의해 소정의 전자기력을 발생시키게 된다.

스태이터는 크게 원통형상을 갖는 제1,2스태이터(100),(200)로 구성되며, 이들 상기 제1,2스태이터(100),(200)는 서로 동일 선상으로 배치 결합되는 구성으로서, 그 내면에는 코일(130),(230)이 권선되는 제1,2요크(110),(210)를 구비하여 이루어진다.

즉, 상기 제1요크(110)는 내면에 보빈(120)과, 이 보빈(120)의 외면에 코일(130)을 권선하는 구성이며 상기 로터의 마그네트(m)와 대면하는 내면에는 요크가 이(teeth) 맞물림 형태를 갖도록 교호적으로 배열 형성된다.

그리고 상기 제2요크(210)는 상기 제1요크(110)와 마찬가지로 내면에 코일(230)을 권선한 보빈(220)이 구비되는 구조이며, 상술한 로터의 마그네트(m)와 대면하는 내면으로는 요크가 이 맞물림 형태를 갖도록 교호적으로 배열 형성되는 구조이다.

한편, 상기 제1,2스태이터(100),(200)는 도면에서 바라보면 좌,우측면이 중심면에 샤프트(s)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(b)이 개재된 제1,2커버플레이트(c1),(c2)에 의해 일체로 고정되는 구성이다.

이와 같은 구성을 갖는 종래의 스태핑 모터는 제1,2스태이터(100),(200)의 각 코일(130),(230)에 외부로부터 전류가 인가되면, 상기 코일(130),(230)과 상기 제1,2요크(110),(210)와 상기 마그네트(m)의 자극 사이에서 전자기력이 발생하게 되고, 이때의 전자기력에 의해 마그네트(m)와 샤프트(s)로 구성되는 로터가 제1,2스태이터(100),(200)를 중심으로 회전되게 되는 것이다.

그러나, 최근 들어 정밀 기기의 소형화 및 박형화 추세에 따라 이들 정밀기기에 탑재되는 스태핑 모터 또한 슬림화가 절실히 요구되고 있으나, 종래의 스태핑 모터는 샤프트(s)를 중심으로 그 외주연으로 서로 다른 지름을 갖는 다수개의 부품이 구성되는 것에 의해 소형화에 한계가 있는 단점이 있다.

즉, 상기 종래의 스태핑 모터를 소형화시키기 위해서는 부득이 마그네트(m)의 지름과 코일(130),(230)의 지름을 축소하는 방법이 있으나, 이와 같은 구성에 의해서는 마그네트(m)와 코일(130),(230)의 자기력 또한 저하됨에 따라 결과적으로 상호간의 전자기력이 크게 낮아지게 된다. 따라서 모터의 크기가 소형화 될 수록 그 출력성능 또한 낮아지게 되므로 소형화에 한계가 있게 되는 것이다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 축방향으로 마그네트와 코일을 배치시키고 요크의 일단을 연장시켜 마그네트의 측부 및 외경면에 교호적으로 배치되도록 하여 소형화를 이루면서 안정된구동특성을 보장할 수 있는 스태핑 모터를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 스태핑 모터를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 2는 종래 기술에 따른 스태핑 모터를 나타낸 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 스태핑 모터를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 스태핑 모터를 나타낸 분해 사시도.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 스태핑 모터에서 요크의 여자 상태를 나타낸 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

10,20 : 요크 11,21 : 외부요크

12,22 : 제1폴티스 13,23 : 코일

14,24 : 보빈 15,25 : 내부요크

16,26 : 제2폴티스 b1,b2 : 베어링

h : 하우징 m : 마그네트

s : 샤프트

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 원주 방향으로 N,S극이 교대로 복수 착자된 원통형의 마그네트 및 이 마그네트의 중심에 일단부가 결합되며 베어링에 의해 회전 지지되는 샤프트로 구성된 로터와; 상기 마그네트의 축방향으로 측부에 공극을 두고 고리형으로 권선되는 코일 및 중앙에 축구멍이 형성된 원통형상으로 그 내면에 코일이 구비되며, 마그네트와 동심을 이루도록 배치되면서 외주연이 등간격으로 분할 연장되어 마그네트의 외경면에 공극을 두고 대향 배치되는 제1폴티스를 형성하는 외부요크와, 소경의 일단부가 상기 코일의 내주연에 끼워지며 대경의 타단은 코일의 측부를 차폐하면서 분할 연장되어 상기 제1폴티스와 교호적으로 배치되는 제2폴티스를 형성하는 내부요크로 구성되는 스태이터로 이루어진 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 상기 요크는 마그네트의 축방향으로 양측에 구비되는 제1요크와 제2요크인 것에 특징이 있다.

본 발명의 상기 제1폴티스와 제2폴티스는 코일에 인가되는 전류 방향에 따라 서로 다른 극성으로 여자되는 것에 특징이 있다.

본 발명의 상기 제1요크의 폴티스와 제2요크의 폴티스는 서로 마주보는 방향으로 연장된 것에 특징이 있다.

본 발명의 상기 제 1요크와 제2요크는 원통 형상을 갖는 하우징의 내주연에 끼움되어 고정되는 것에 특징이 있다.

본 발명의 상기 제1폴티스와 제2폴티스는 서로 일정 공극을 두고 구비되는 것에 특징이 있다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예로서 스태핑 모터는, 원주방향으로 N,S극이 교대로 복수 착자되는 원통형의 마그네트와, 상기 마그네트의 중심에 일단부가 결합되며 베어링에 의해 회전 지지되는 샤프트와, 상기 마그네트의 축방향으로 측부에 공극을 두고 구비되며 보빈의 외주연에 고리 형상으로 권선되는 한쌍의 코일과, 상기 코일이 내면에 구비되는 원통 형상으로 마련되며 마그네트에 동심을 이루면서 배치되고 외주연이 등간격으로 분할 연장되어 마그네트의 외경면에 공극을 두고 대향되는 제1폴티스를 형성하는 외부요크 및 일단이 코일의 내주연에 끼워지며 타단은 코일의 측부를 차폐하면서 분할 연장되어 제1폴티스와 교호적으로 배치되는 제2폴티스를 형성한 내부요크로 구성되는 제1,2요크와, 상기 제1,2요크의 외주연에 끼움되어 이들을 고정시키는 하우징으로 구성되는 것에 그 특징이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 스태핑 모터를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 스태핑 모터를 나타낸 분해 사시도이다.

이에 나타내 보인 바와 같이 스태핑 모터는 크게 회전을 이루는 로터와 고정상태를 유지하는 스태이터로 대별된다.

로터는 스태이터를 중심으로 회전운동을 이루는 실질적인 출력수단으로서, 크게 샤프트(s)와 마그네트(m)로 구성된다.

상기 샤프트(s)는 도면에서 바라보면 일단부가 스태이터의 중심에 삽입되는 구조로 복수개의 베어링(b1),(b2)에 의해 정,역 방향으로 회전 가능하게 축지지되는 구조이다. 이러한 샤프트(s)는 외주연으로 N,S극이 착자된 마그네트(m)가 구비된다.

상기 마그네트(m)는 대략 원통 형상으로 마련되며, 그 중심에 상기 샤프트(s)가 축끼움 될 수 있도록 축구멍(m1)이 형성된다. 이와 같은 마그네트(m)는 그 외주면에 원주방향으로 N,S극이 교대로 다수 착자되는 구성이며 후술할 요크와의 상호작용에 의해 전자기력을 발생시키게 된다.

스태이터는 크게 N,S극으로 여자되는 요크와, 이 요크의 내면에 구비되는 고리형으로 권선된 코일과, 그리고 상기 코일이 외주연으로 권선되는 원통형의 보빈으로 구성된다.

상기 요크는 다시 제1요크(10)와 제2요크(20)로 대별되며, 이들 제1요크(10)와 제2요크(20)는 마그네트(m)를 사이에 두고 양측으로 구비되는 구조로서, 도 3에서 보는 바와 같이 마그네트(m)의 축방향으로 좌측편에 제1요크(10)가 위치되고, 마그네트(m)의 우측편에 제2요크(20)가 위치된다. 이러한 제1요크(10)와 제2요크(20)는 마그네트(m)와 소정 간격의 공극(air gap)을 형성하면서 동심을 이루도록 배치되며 내면에 코일(13),(23)이 권선된 보빈(14),(24)이 구비되는 구성이다.

여기서, 상기 제1요크(10)는 다시 외부요크(11)와 내부요크(15)로 구성되는 바, 이때의 상기 외부요크(11)는 중앙에 소정크기의 구멍(11')이 형성된 원통 형상으로 마련되며, 그 내면으로는 코일(13)이 권선된 원통형의 보빈(14)이 구비되는 구성이다. 이러한 외부요크(11)는 마그네트(m)와 동심을 이루면서 배치되는 구조이며, 그 외주연이 등간격으로 분할 연장되어 마그네트(m)의 외경면에 공극을 형성하면서 대향하는 다수의 제1폴티스(pole teeth;12)를 형성한다. 이때의 상기 제1폴티스(12)는 코일(13)에 인가되는 전류방향에 따라 N극 또는 S극으로 여자되어 마그네트(m)와의 상호작용에 의해 전자기력을 발생시키게 된다.

한편, 상기 내부요크(15)는 샤프트(s)의 직경에 비하여 큰 지름을 갖는 축홀(미부호)이 형성된 끼움부(15')를 구비하며, 이 끼움부(15')는 도면에서 바라보는 바와 같이 보빈(14)의 내주연을 통과하여 외부요크(11)의 구멍(11')에 끼움되는 구조이다. 그리고 끼움부(15')의 일단은 지름이 확장된 형상으로 외부요크(11)와 함께 코일(13)의 일측을 차폐하게 되며 그 외주연으로 상기 제1폴티스(12)와 교호적으로 배치되는 다수의 제2폴티스(pole teeth;16)를 형성하여 이루어진다.

이때, 상기 제1폴티스(12)와 제2폴티스(16)는 상호 일정공극을 형성하면서 구비되며, 코일(13)에 인가되는 전류 방향에 따라 서로 다른 극성으로 여자된다. 즉, 제1폴티스(12)가 N극으로 여자되는 경우에는 제2폴티스(16)는 S극으로 여자되며, 반대로 제1폴티스(12)가 S극으로 여자되는 경우에는 제2폴티스(16)는 N극으로여자되게 된다.

상기 제2요크(20)는 상술한 제1요크(10)와 동일한 구성으로 구비되며, 상기 마그네트(m)를 중심으로 대향 배치되는 구조이다. 즉, 상기 제2요크(20)는 크게 외부요크(21)와 내부요크(25)로 이루어지며, 이때 상기 외부요크(21)는 중앙에 소정크기의 구멍(21')이 형성된 원통 형상으로서, 그 내면으로 코일(23)이 권선된 원통형의 보빈(24)이 구비되는 구성이다. 이러한 외부요크(21)는 마그네트(m)와 동심을 이루면서 배치되며, 그 외주연이 등간격으로 분할 연장되어 마그네트(m)의 외경면에 공극을 형성하면서 대향하는 다수의 제1폴티스(22)를 형성한다. 이때의 상기 제1폴티스(22)는 상술한 제1요크(10)의 제1폴티스(12)와 마주보는 방향으로 연장되며, 코일(23)에 인가되는 전류방향에 따른 N극 또는 S극으로 선택 여자되게 된다.

한편, 상기 제2요크(20)의 내부요크(25)는 외부요크(21)의 구멍(21')에 끼움되는 원통형의 끼움부(25')를 구비하며, 이 끼움부(25')의 일단은 지름이 확장되면서 등간격으로 분할 연장되는 제2폴티스(26)가 형성된다. 이때의 제2폴티스(26)는 외부요크(21)의 제1폴티스(22)와 교호적으로 배치되며, 상기 코일(23)에 인가되는 전류방향에 따라 S극 또는 N극으로 선택 여자된다.

한편, 미설명 부호 (b1),(b2)는 상기 제1요크(10) 및 제2요크(20)의 중심면에 끼움되어 샤프트(s)를 회전 가능하게 지지하는 베어링이며, 그리고 부호 (h)는 상기 제1요크(10)와 제2요크(20)의 외주연에 끼움되어 이들을 고정시키는 원통 형상의 하우징이다.

이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 스태핑 모터의 작동을 설명하면 다음과같다.

먼저, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 스태핑 모터에서 제1요크의 외부요크와 내부요크의 여자된 상태를 나타낸 개념도로서, 이에 나타내 보인 바와 같이 코일(13)에 인가되는 전류 방향에 따라 외부요크(11) 및 내부요크(15)는 서로 다른 극성으로 여자된다.

즉, 외부요크(11)의 제1폴티스(12)가 N극으로 여자되면 내부요크(15)의 제2폴티스(16)는 S극으로 여자되고, 이와 반대로 외부요크(11)의 제1폴티스(12)가 S극으로 여자되면 내부요크(15)의 제2폴티스(16)는 N극으로 여자된다.

이와 마찬가지로, 도시하지는 않았으나 제2요크 역시 코일에 인가되는 전류 방향에 따라 외부요크와 내부요크가 서로 다른 극성으로 여자된다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 스태핑 모터는 제1요크(10) 및 제2요크(20)의 각 코일(13),(23)에 전류가 인가되는 것에 의해 제1요크(10) 및 제2요크(20)가 여자되며, 이와 같은 상태에서 상기 제1,2요크(10),(20)를 구성하는 외부요크(11),(21)와 내부요크(15),(25)의 제1,2폴티스(12,22),(16,26)가 서로 대응되는 극성으로 자극을 갖게 됨으로써, 결과적으로 상기 마그네트(m)와 제1폴티스(12),(22) 및 제2폴티스(16),(26) 사이에 전자기력이 발생하게 되고, 이때의 전자기력에 의해 마그네트(m)와 샤프트(s)로 구성된 로터가 스태이터를 중심으로 회전을 이루게 된다.

이와 같이 코일(13),(23)에 인가되는 전류 방향을 전환시켜주게 되면 외부요크(11),(21)와 내부요크(25),(26)의 제1,2폴티스(12,22),(16,26)의 극성이 달라지게 되고, 이때의 상기 제1,2폴티스(12,22),(16,26)의 극성과 마그네트(m)에 착자된 극성 사이에 발생되는 전자기력에 의해 마그네트(m)가 회전을 이루게 되는 것이다.

즉, 여자하는 순서에 따라 로터인 마그네트(m)가 일정각도의 회전을 이루게 되고, 여자 상이 변화했을 때에 회전을 이루게 된다. 또 여자 중 코일에 전류가 계속해서 흐르고 있는 동안은 외부요크(11),(21)와 내부요크(25),(26)의 극성 변화가 없으므로 마그네트(m)가 일정 위치로 유지되게 된다.

한편, 상기한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것은 아니며 동일 사상의 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다. 예를 들어 본 발명의 실시예에 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있는 것이다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 스태핑 모터는 마그네트의 축방향으로 양측에 코일이 배치되시키면서, 이 코일을 서로 다른 극성을 갖는 폴티스를 형성한 외부요크와 내부요크로 감싸는 구성에 의해 모터의 전체적인 두께를 감소시키면서 안정된 출력성능을 보장할 수 있게 되는 이점을 제공한다.

특히, 이와 같은 구성에 의해 모터의 소형화에 따른 설계상의 자유도가 한층 증대시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Claims

원주 방향으로 N,S극이 교대로 복수 착자된 원통형의 마그네트 및 이 마그네트의 중심에 일단부가 결합되며 베어링에 의해 회전 지지되는 샤프트로 구성된 로터와;

상기 마그네트의 축방향으로 측부에 공극을 두고 고리형으로 권선되는 코일 및

중앙에 축구멍이 형성된 원통형상으로 그 내면에 코일이 구비되며, 마그네트와 동심을 이루도록 배치되면서 외주연이 등간격으로 분할 연장되어 마그네트의 외경면에 공극을 두고 대향 배치되는 제1폴티스를 형성하는 외부요크와, 소경의 일단부가 상기 코일의 내주연에 끼워지며 대경의 타단은 코일의 측부를 차폐하면서 분할 연장되어 상기 제1폴티스와 교호적으로 배치되는 제2폴티스를 형성하는 내부요크로 구성되는 스태이터;

로 이루어진 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
제 1 항에 있어서, 상기 요크는 마그네트의 축방향으로 양측에 구비되는 제1요크와 제2요크인 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
제 1 항에 있어서, 상기 제1폴티스와 제2폴티스는 코일에 인가되는 전류 방향에 따라 서로 다른 극성으로 여자되는 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
제 2 항에 있어서, 상기 제1요크의 폴티스와 제2요크의 폴티스는 서로 마주보는 방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
제 2 항에 있어서, 상기 제 1요크와 제2요크는 원통 형상을 갖는 하우징의 내주연에 끼움되어 고정되는 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
제 1 항에 있어서, 상기 제1폴티스와 제2폴티스는 서로 일정 공극을 두고 구비되는 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
원주방향으로 N,S극이 교대로 복수 착자되는 원통형의 마그네트와;

상기 마그네트의 중심에 일단부가 결합되며 베어링에 의해 회전 지지되는 샤프트와;

상기 마그네트의 축방향으로 측부에 공극을 두고 구비되며 보빈의 외주연에 고리 형상으로 권선되는 한쌍의 코일과;

상기 코일이 내면에 구비되는 원통 형상으로 마련되며 마그네트에 동심을 이루면서 배치되고 외주연이 등간격으로 분할 연장되어 마그네트의 외경면에 공극을 두고 대향되는 제1폴티스를 형성하는 외부요크 및

일단이 코일의 내주연에 끼워지며 타단은 코일의 측부를 차폐하면서 분할 연장되어 제1폴티스와 교호적으로 배치되는 제2폴티스를 형성한 내부요크로 구성되는제1,2요크와;

상기 제1,2요크의 외주연에 끼움되어 이들을 고정시키는 하우징;

으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
제 7 항에 있어서, 상기 제1폴티스와 제2폴티스는 코일에 인가되는 전류 방향에 따라 서로 다른 극성으로 여자되는 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
제 7 항에 있어서, 상기 제1폴티스와 제2폴티스는 서로 일정 공극을 두고 구비되는 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.