KR20030046763A - 스태핑 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스태핑 모터를 개시한다.

본 발명은, 원주 방향으로 N,S극이 교대로 복수 착자된 마그네트 및 이 마그네트의 중심에 일단부가 결합되며 베어링에 의해 회전 지지되는 샤프트로 구성되는 회전자와, 상기 마그네트의 측부에 일정 간격을 두고 고리 형상으로 권선되는 코일 및 이 코일을 내면에 구비시킨 원통 형상으로 내부 중심면에 일면이 마그네트의 측면과 대향되는 소정지름을 갖는 원통형의 인너 폴티스가 돌출되고, 외경면은 일정간격으로 분할 연장되어 마그네트의 외경면에 공극을 두고 대향 배치되는 다수의 아웃터 폴티스를 형성한 요크로 구성되는 고정자로 이루어진다.

Description

스태핑 모터{Stepping motor}

본 발명은 펄스전력에 해당하는 회전각 만큼 회전운동을 하는 스태핑 모터에관한 것으로서, 보다 상세하게는 소형화를 가능케 하면서 안정된 출력성능을 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 회전자와 고정자로 대별된다.

회전자는 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 고정자의 내주면에 구비된 코일(130),(230)과 일정 공극을 형성하면서 대향 배치되게 구성됨으로써 상호 작용에 의해 소정의 전자기력을 발생시키게 된다.

고정자는 제1,2요크(110),(120)를 구비하여 이루어지는 바, 이들 제1,2요크(110),(120)는 서로 동일선상으로 배치 결합되는 구성으로 그 내면에는 원통형의 코일(130),(230)이 권선되는 구조이다.

즉, 상기 제1요크(110)는 내면에 보빈(120)과, 이 보빈(120)의 외면에 코일(130)을 권선하는 구성이며, 상기 회전자의 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 회전자의 마그네트(m)와 대면하는 내면으로는 요크가 이 맞물림 형태를 갖도록 교호적으로 배열 형성되는 구조이다.

한편, 상기 제1,2요크(110),(210)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 제1,2요크(110),(210)의 각 코일(130),(230)에 외부로부터 전류가 인가되면, 코일(130),(230)과 제1,2요크(110),(210)와 마그네트(m)의 자극 사이에서 전자기력이 발생하게 되고, 이때의 전자기력에 의해 마그네트(m)와 샤프트(s)로 구성되는 회전자가 고정자를 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 모터의 출력성능이 낮아지면서 구동특성이 불량해지므로 소형화에 한계가 있게 되는 것이다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 마그네트의 축방향으로 요크의 코일이 배치되도록 하여 소형화를 이루면서 안정된 구동특성을 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 자로을 나타낸 개념도.

도 7은 본 발명에 따른 회전자의 동작 설명도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

10,20 : 제1,2요크 11,21 : 인너 폴티스

12,22 : 보빈 13,23 : 코일

15, 25 : 아웃터 폴티스 b1,b2 : 베어링

h : 하우징 m : 마그네트

s : 샤프트

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 원주 방향으로 N,S극이 교대로 복수 착자된 마그네트 및 이 마그네트의 중심에 일단부가 결합되며 베어링에 의해 회전 지지되는 샤프트로 구성되는 회전자와; 상기 마그네트의 측부에 일정 간격을두고 고리 형상으로 권선되는 코일 및

이 코일을 내면에 구비시킨 원통 형상으로 내부 중심면에 마그네트의 측면과 대향되는 소정지름을 갖는 원통형의 인너 폴티스가 돌출되고, 외경면은 일정간격으로 분할 연장되어 마그네트의 외경면에 공극을 두고 대향 배치되는 다수의 아웃터 폴티스를 형성한 요크로 구성되는 고정자로 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 상기 요크는 마그네트의 축방향으로 양측에 구비되는 제1요크와 제2요크이며, 이들 제1요크와 제2요크는 서로 대향하는 방향으로 구비되는 것에 특징이 있다.

본 발명의 상기 인너 폴티스와 아웃터 폴티스는 코일에 인가되는 전류 방향에 따라 N극 또는 S극으로 여자되는 것에 특징이 있다.

본 발명의 상기 제1요크와 제2요크는 원통형상을 갖는 하우징에 끼움되어 고정되는 것에 특징이 있다.

본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 스태핑 모터는 원주 방향으로 N,S극이 교대로 복수 착자되는 마그네트와; 상기 마그네트의 중심에 일단부가 결합되며 베어링에 의해 회전 지지되는 샤프트와; 상기 마그네트의 축방향으로 양측에 구비되며 원통형상을 갖는 각각의 보빈 외주연에 고리 형으로 권선되는 한쌍의 코일과; 상기 각각의 코일을 내면에 구비시키며 마그네트의 양측에 동심을 이루면서 구비되는 원통형상의 제1,2요크와; 상기 제1,2요크의 내부 중심면에서 돌출되며 마그네트의 측면과 공극을 갖고 대향되며 코일에 인가되는 전류 방향에 따라 N극 또는 S극으로 여자되는 원통형의 인너 폴티스와; 상기 제1,2요크의 외경면에 일체로 형성되며 서로 대향하는 방향으로 분할 연장되어 마그네트의 외경면에 공극을 갖고 대향되며 코일에 인가되는 전류 방향에 따라 N극 또는 S극으로 여자되는 아웃터 폴티스와; 상기 제1요크와 제2요크의 외주연에 끼움되어 이들을 고정시키는 하우징으로 구성되는 것을 그 특징으로 한다.

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 사시도로서, 이에 나타내 보인 바와 같이 스태핑 모터는 크게 회전을 이루는 회전자와, 고정상태를 유지하는 고정자로 대별된다.

회전자는 샤프트(s)와 마그네트(m)로 구성되는 바, 이때 상기 샤프트(s)는 도면에서 바라보면 일단부가 제1,2요크(10),(20)의 중심에 삽입되는 구조로 복수개의 베어링(b1),(b2)에 의해 정,역 방향으로 회전 가능하게 축 지지되는 구성이다. 이러한 샤프트(s)는 소정의 길이를 가지며 그 외주연으로 N,S극이 교대로 착자된 마그네트(m)가 구비된다.

상기 마그네트(m)는 대략 원통형상으로 마련되며, 그 외주면을 원주방향으로 다수의 N,S극이 교대로 착자되는 구성이다. 이와 같은 마그네트(m)는 후술할 코일(13),(23)과의 상호작용에 의해 소정의 전자기력을 발생시키게 된다.

고정자는 크게 제1요크(10)와 제2요크(20)로 구성되는 바, 이들 제1,2요크(10),(20)는 대략 원통형상을 가지며 도 3에서 바라보면 마그네트(m)를 사이에 두고 양측으로 일정간격의 공극(air gap)을 형성하면서 동심을 이루도록 배치되는 구조이다.

상기 제1요크(10)는 대략 원통 형상으로 이루어지며, 외경면은 마그네트(m)의 외경면을 감싸는 형태로 N극 또는 S극성을 갖는 치(teeth) 형상의 아웃터 폴티스(11)가 형성되고, 그 내부 중심면에는 소경의 원통 형상을 가지며 마그네트(m)의 측면에 대향 배치되는 인너 폴티스(15)가 형성된다.

이때, 상기 아웃터 폴티스(11)와 인너 폴티스(15)는 상기 마그네트(m)의 외경면 및 측면에 대하여 소정간격의 공극(air gap)을 두고 마련되며, 본 발명에서의 아웃터 폴티스(11)는 N극 또는 S극 중의 하나로 여자되는 구조로서 180도 등간격으로 분할 구성된다. 그리고 상기 인너 폴티스(15)는 아웃터 폴티스(11)에 비하여 전체적으로 짧은 길이를 갖도록 구비되며 N극 또는 S극으로 여자된다.

한편, 상기 제1요크(20)는 내면에 즉, 인너 폴티스(15)의 외주연으로 고리 형상을 갖는 보빈(12)과, 이 보빈(12)의 외주연에 권선되는 코일(13)이 구비되는 바, 이때의 보빈(12)은 외경면의 지름이 아웃터 폴티스(11)의 지름에 비하여 미세하게 나마 작게 형성되고, 중심을 관통하는 구멍의 지름은 인너 폴티스(15)의 지름에 비하여 미세하게나마 크게 형성된다.

이와 같이 구성되는 제1요크(10)는 내면에 마련되는 코일(13)이 통전되는 것에 의해 N극 또는 S극으로 여자(勵磁) 된다.

상기 제2요크(20)는 상술한 제1요크(10)와 마찬가지로 인너 폴티스(25)와 아웃터 폴티스(21)를 형성하고, 이들 인너 폴티스(25)와 아웃터 폴티스(21) 사이에 고리 형상의 보빈(22)과 코일(23)이 구성된다.

즉, 상기 제2요크(20)는 대략 원통형상을 이루며 외경면은 마그네트(m)의 외경면을 감싸는 형태로 N극 또는 S극성을 갖는 치(teeth) 형상의 아웃터 폴티스(21)가 형성되고, 그 내부 중심면에는 마그네트(m)의 측면에 대향 배치되는 소경의 원통 형상을 갖는 인너 폴티스(25)가 형성된다.

이때, 상기 아웃터 폴티스(21)와 인너 폴티스(25)는 상기 마그네트(m)의 외경면 및 측면에 대하여 소정간격의 공극(air gap)을 두고 마련되며, 상기 코일(23)이 통전되는 것에 의해 여자되게 된다.

한편, 상기 제1요크(10) 및 제2요크(20)는 각각의 코일(13),(23)에 인가되는 전류 방향에 따라 N극 또는 S극으로 여자되게 된다.

즉, 상기와 같이 구성되는 스태핑 모터는 마그네트(m)를 사이에 두고 그 양측으로 일정 공극을 형성하면서 원통형상의 제1요크(10)와 제2요크(22)가 동심상으로 배치되며, 이들 제1요크(10) 및 제2요크(20)는 내면에는 고리 형상으로 코일(13),(23)을 권선한 각각의 보빈(12),(22)이 마련되는 구성이다. 그리고 상기 제1요크(10) 및 제2요크(20)는 서로 마주보는 방향으로 마그네트(m)의 외경면에 일정 공극을 형성하면서 감싸는 형태로 분할 연장되는 각각의 아웃터 폴티스(11),(21)가 형성되며, 이때의 아웃터 폴티스(11),(21)는 다수 분할되어 N극 또는 S극이 여자되는 자극치를 형성하는 구조이다. 또한, 상기 제1,2요크(10),(20)의 내부 중심면에는 아웃터 폴티스(11),(21)에 비하여 소경이면서 원통 형상의 인너 폴티스(15),(25)가 마련되며, 이들 인너 폴티스(15),(25)의 측단은 상기 마그네트(m)의 측면에 소정 공극을 두고 대향 배치되어 N극 또는 S극으로 여자되는 구조이다.

이와 같이 구성되는 상기 제1,2스테이터(10),(20)는 코일(13),(23)에 전류가 통전되는 경우 아웃터 폴티스(11),(21)와 인너 폴티스(15),(25)가 여자되어 도 3의 기호 "A"로 나타낸 구역에 자로(flux path)가 형성되게 된다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 스태핑 모터에서 자로가 형성된 상태를 나타낸 개념도로서, 이에 나타내 보인 바와 같이 제1요크(10) 및 제2요크(20)는 코일(13),(23) 통전에 의해 도면에서와 같은 자로(flux path)를 형성하게 된다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 스태핑 모터는 제1요크(10) 및 제2요크(20)의 각 코일(13),(23)에 전류가 인가되는 것에 의해 제1,2요크(10),(20)의 아웃터 폴티스(11),(21)와 인너 폴티스(15),(25)가 여자되며, 이와 같은 상태에서 상기 인너 폴티스(15),(25)의 단부 즉, 마그네트(m)와 대향하는 단부의 누설자속에 의해 실선으로 나타낸 자로(flux path)가 형성됨으로써 결과적으로 상기 코일(13),(23)과 제1,2요크(10),(20)와 마그네트(m) 사이에 전자기력이 발생하게 되고, 이때의 전자기력에 의해 회전자가 고정자를 중심으로 회전을 이루게 된다.

한편, 미설명 부호 (b1),(b2)는 상기 제1요크(10)와 제2요크(20)의 일단 중심면에 끼움되는 베어링(b1),(b2)이며, 이들 베어링(b1),(b2)은 상술한 샤프트(s)를 정,역방향으로 회전 가능하게 축 지지하는 역할을 수행한다. 그리고 부호 (h)는 원통형상을 갖는 하우징을 나타낸 것으로 상술한 제1요크(10)와 제2요크(20)의 외주연에 결합됨으로써, 이들 제1요크(10)와 제2요크(20)를 고정시키게 된다.

이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 스태핑 모터의 동작을 도 7를 참조하여설명하면 다음과 같다.

(a)와(e) 상태에서 코일(13),(23)에 전류를 일방향으로 통전하면, 제1요크(10)의 아웃터 폴티스(11)는 N극 인너 폴티스(15)는 S극으로 여자되고, 제2요크(20)의 아웃터 폴티스(21)는 N극 인너 폴티스(25)는 S극으로 여자되어 회전자인 마그네트(m)는 반 시계 방향으로 약 45도 회전하게 되어 (b)와 (f)의 상태를 이루게 된다.

이어서, 제1요크(10)의 코일(13)의 전류의 방향을 반전시키면, 제1요크(10)의 아웃터 폴티스(11)는 S극으로 인너 폴티스(15)는 N극으로 여자되고, 이때 제2요크(20)의 아웃터 폴티스(21)는 N극으로 인너 폴티스(25)는 S극으로 여자된 상태이므로, 회전자인 마그네트(m)는 상기 (a)와 (e) 상태에서 반시계 방향으로 약 45도 회전하여 (c)와(g)의 상태를 이루게 된다.

그리고, 상기 (c)와(g)의 상태에서 제2요크(20)에 인가되는 코일(23)의 전류 방향을 반전시키면, 제2요크(20)의 아웃터 폴티스(21)는 S극으로 인너 폴티스(25)는 N극으로 여자되고, 이때의 상기 제1요크(10)의 아웃터 폴티스(11)는 S극이고 인너 폴티스(15)는 N극으로 여자된 상태이므로, 회전자인 마그네트(m)는 상기 (c)와(g) 상태에서 반시계 방향으로 약45도 회전하여 (d)와(a)로 나타낸 상태가 된다.

이와 같이 제1요크(10) 및 제2요크(20)의 각 코일(13),(23)의 통전방향을 순차적으로 바꾸어 가는 것에 의해 회전자인 마그네트(m)를 일정각도만큼 회전시킬 수 있게 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 마그네트를 중심으로 양측부로 코일이 배치되도록 하면서, 이 코일을 구비한 요크의 일단부를 마그네트의 외경면에 대향되게 연장시킨 폴티스를 형성시키는 구성에 의해 모터의 전체적인 두께가 감소되면서 안정된 출력성능을 보장하는 이점을 제공한다.

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

Claims (5)

1. 원주 방향으로 N,S극이 교대로 복수 착자된 마그네트 및 이 마그네트의 중심에 일단부가 결합되며 베어링에 의해 회전 지지되는 샤프트로 구성되는 회전자와;

   상기 마그네트의 측부에 일정 간격을 두고 고리 형상으로 권선되는 코일 및

   이 코일을 내면에 구비시킨 원통 형상으로 내부 중심면에 일면이 마그네트의 측면과 대향되는 소정지름을 갖는 원통형의 인너 폴티스가 돌출되고, 외경면은 일정간격으로 분할 연장되어 마그네트의 외경면에 공극을 두고 대향 배치되는 다수의 아웃터 폴티스를 형성한 요크로 구성되는 고정자;

   로 된 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 요크는 마그네트의 축방향으로 양측에 구비되는 제1요크와 제2요크이며, 이들 제1요크와 제2요크는 서로 대향하는 방향으로 구비되는 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 인너 폴티스와 아웃터 폴티스는 코일에 인가되는 전류 방향에 따라 N극 또는 S극으로 여자되는 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제1요크와 제2요크는 원통형상을 갖는 하우징에 끼움되어 고정되는 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.
5. 원주 방향으로 N,S극이 교대로 복수 착자되는 마그네트와;

   상기 마그네트의 중심에 일단부가 결합되며 베어링에 의해 회전 지지되는 샤프트와;

   상기 마그네트의 축방향으로 양측에 구비되며 원통형상을 갖는 각각의 보빈 외주연에 고리 형으로 권선되는 한쌍의 코일과;

   상기 각각의 코일을 내면에 구비시키며 마그네트의 양측에 동심을 이루면서 구비되는 원통형상의 제1,2요크와;

   상기 제1,2요크의 내부 중심면에서 돌출되며, 일면이 마그네트의 측면에 소정간격을 두고 대향되며 코일에 인가되는 전류 방향에 따라 N극 또는 S극으로 여자되는 원통형의 인너 폴티스와;

   상기 제1,2요크의 외경면에 일체로 형성되며 서로 대향하는 방향으로 분할 연장되어 마그네트의 외경면에 공극을 갖고 대향되며 코일에 인가되는 전류 방향에 따라 N극 또는 S극으로 여자되는 아웃터 폴티스와;

   상기 제1요크와 제2요크의 외주연에 끼움되어 이들을 고정시키는 하우징;

   으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스태핑 모터.