KR20040005413A - Voice coil motor and design method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세한 추력(推力)으로 구동하도록 하는 보이스 코일 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극미세 하중 및 변위 제어가 필수적인 응용분야에 적용될 수 있는 보이스코일 모터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a voice coil motor for driving with fine thrust, and more particularly to a voice coil motor that can be applied to applications where extremely fine load and displacement control is essential.
일반적으로 보이스코일 모터는 빠른 응답특성으로 직선운동에 유리하며 비교적 긴 행정거리로 소형화 및 정밀 위치제어에 유리한 장점을 갖는다.In general, the voice coil motor is advantageous for linear motion with fast response characteristics, and has advantages for miniaturization and precise position control with relatively long stroke length.
한 예로, 최근 들어 초소형 정밀기기(MEMS) 기기의 급속한 발전으로 초소형 정밀위치제어를 위한 구조물 설계 및 제작시에는 초소형 부품의 역학적 물성치(경도, 굽힘, 탄성계수)를 정밀하게 측정 분석하는 나노인 덴터(Nano in denter)에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다.For example, in recent years, due to the rapid development of micro-mechanical devices (MEMS), nano-indenters that precisely measure and analyze the mechanical properties (hardness, bending, modulus of elasticity) of micro-components when designing and manufacturing structures for micro-precise position control (Nano in denter) research is active.
이러한, 나노인 덴터는 시료에 인가하는 하중과 변위를 서브 마이크로 또는 나노 스케일의 분해 등으로 미세하게 조절이 가능한 보이스코일 모터(액추에이터)가 필수적으로 요구된다.In the nanoindenter, a voice coil motor (actuator) capable of finely controlling loads and displacements applied to a sample by sub-micro or nano-scale decomposition is required.
그러나, 아직까지 극미소 하중 및 변위 제어는 압전 구동기가 널리 사용되고 있으며, 나노급의 초정밀 위치제어 즉, 극미소 구동력 제어를 위해서는 복잡한 회로 시스템을 요구하게 되는 단점을 갖고 있다.However, micro load and displacement control has been widely used in piezoelectric actuators, and has a disadvantage in that a complicated circuit system is required for ultra-precision position control, that is, ultra-driving force control of nanoscale.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명은 초소형 정밀기기(MEMS) 등에서 요구되는 미소 추력을 발생시킬 수 있는 보이스코일 모터(액추에이터)를 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a voice coil motor (actuator) capable of generating the micro thrust required in the micro precision device (MEMS) and the like.
또한, 자기회로의 경로인 철심을 포화시킴으로 넓은 전류범위에서 추력의 선형성이 유지되고 공극에서 자속밀도의 편차를 최소화하여 일정 추력으로 동작되도록 하는 보이스코일 모터를 제공하는데 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a voice coil motor that saturates an iron core, which is a path of a magnetic circuit, to maintain linearity of thrust in a wide current range and to operate with a constant thrust by minimizing variation of magnetic flux density in a gap.
도 1은 본 발명에 따른 보이스코일 모터의 결합관계를 보인 분해사시도.1 is an exploded perspective view showing a coupling relationship of a voice coil motor according to the present invention.
도 2는 본 발명의 나노인 덴터용 보이스코일 모터의 설계를 위한 기본 구조를 보인 참고도.Figure 2 is a reference diagram showing the basic structure for the design of the voice coil motor for the nano-in denter of the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 보이스코일 모터의 영구자석 설계과정을 보인 흐름도.Figure 3 is a flow chart showing a permanent magnet design process of the voice coil motor according to the present invention.
도 4는 도 3의 자속의 path에 따른 공극 자속밀도 편차를 산출하기 위한 참고도.4 is a reference diagram for calculating a gap in magnetic flux density according to a path of magnetic flux of FIG. 3.
도 5는 도 3의 영구자석 자기 등가회로도.5 is a permanent magnet magnetic equivalent circuit of FIG. 3.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
200 : 중앙요크201 : 외부요크200: center yoke 201: outer yoke
202,203 : 영구자석204 : 코일202,203 permanent magnet 204 coil
205 : 스프링207 : 보빈205: spring 207: bobbin
208,209 : 공극208,209: Gap
본 발명을 이루기 위한 방법으로, 보이스코일 모터에서 미소추력을 발생하기 위한 영구자석의 설계 방법에 있어서, 상기 모터의 전체 크기와 코일의 권수 및 영구자석의 크기를 결정하는 제 1단계; 상기 영구자석의 크기를 변화시켜 임의의 자속밀도를 가정하는 제 2단계; 상기 제 2단계에서 가정된 값을 통해, 각 부분의 자속밀도 및 비선형 B-H 곡선을 적용하여 자속밀도 및 비선형 B-H곡선을 산출하는 제 3단계; 상기 제 3단계에서 산출된 값을 수렴판정 및 투자율을 재산정하는 제 4단계; 상기 제 1에서 제 4단계를 여러 번 반복을 통해 상기 자속밀도 및 비선형 B-H곡선의 실제 값을 산출하는 제 5단계; 상기 영구자석의 실제 크기를 결정하는 제 6단계; 상기 영구자석의 위치를 결정하는 제 7단계; 전류에 따른 가동자인 코일의 추력을 산출하는 제 8단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the present invention, a method of designing a permanent magnet for generating micro thrust in a voice coil motor, comprising: a first step of determining the total size of the motor and the number of turns of the coil and the size of the permanent magnet; A second step of changing a size of the permanent magnet to assume an arbitrary magnetic flux density; A third step of calculating the magnetic flux density and the nonlinear B-H curve by applying the magnetic flux density and the nonlinear B-H curve of each part based on the value assumed in the second step; A fourth step of reconverging the value calculated in the third step and resetting the permeability; A fifth step of calculating the actual values of the magnetic flux density and the nonlinear B-H curve by repeating the first to fourth steps several times; A sixth step of determining an actual size of the permanent magnet; A seventh step of determining the position of the permanent magnet; Characterized in that the eighth step of calculating the thrust of the coil which is the mover according to the current.
상기 보이스코일 모터를 바람직하게는 좌우측에 영구자석이 고정된 좌우 외부요크와, 상하부에 코일이 권선된 보빈이 내입되어 고정된 중앙요크 및 상기 보빈의 좌우측으로 복수개의 리프 스프링으로 하우징내에 안착되어 고정된 보이스코일 모터에 있어서, 상기 중앙요크와 좌우 외부요크의 상하부에 좌우로 일정한 공극을 두어 상기 공극에서의 자속밀도 편차를 이용하여 미소추력을 발생하도록 하는 구성한다.The voice coil motor is preferably seated in a housing with a plurality of leaf springs on the left and right sides of the bobbin, and the left and right outer yokes of which permanent magnets are fixed to the left and right, and the bobbins coiled at the upper and lower sides are fixed. In the voice coil motor, it is configured to generate a micro thrust by using a variation in the magnetic flux density in the gap by placing a constant gap left and right in the upper and lower portions of the central yoke and the left and right outer yokes.
또한, 상기 코일을 필요에 따라 각 층으로 흐르는 전류 방향을 동일하게 구성하거나 서로 다른 방향으로 구성하고, 상기 상하부 코일에서 한쪽 코일에만 전류를 인가하는 방법을 통해 보이스코일 모터의 추력을 다르게 구성한 것을 특징으로 한다.In addition, the coils may be configured to have the same current direction flowing to each layer as needed or in different directions, and the thrust of the voice coil motor may be configured differently by applying a current to only one coil from the upper and lower coils. It is done.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 보이스코일 모터의 결합관계를 보인 분해사시도 이다.1 is an exploded perspective view showing a coupling relationship of a voice coil motor according to the present invention.
도 2는 본 발명의 나노인 덴터용 보이스코일 모터의 설계를 위한 기본 구조를 보인 참고도 이다.Figure 2 is a reference diagram showing the basic structure for the design of the voice coil motor for nanoin denter of the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 보이스코일 모터의 영구자석 설계과정을 보인 흐름도 이다.Figure 3 is a flow chart showing a permanent magnet design process of the voice coil motor according to the present invention.
도 4는 도 3의 자속의 path에 따른 공극 자속밀도 편차를 산출하기 위한 참고도 이다.4 is a reference diagram for calculating a gap in magnetic flux density according to the path of the magnetic flux of FIG. 3.
도 5는 도 3의 영구자석 자기 등가회로도 이다.5 is a permanent magnet magnetic equivalent circuit of FIG. 3.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 보이스코일 모터는 중앙요크(200)와 좌우 외부요크(201)의 상하부에 좌우로 일정한 공극(208,209)을 두고, 하우징(206)에 의해 결합되며, 상기 좌우 외부 요크(201)의 중앙에는 영구자석(202)(203)이 각각 설치된다.As shown in FIG. 1, the voice coil motor of the present invention has a constant gap 208, 209 left and right at upper and lower portions of the central yoke 200 and the left and right outer yokes 201, and is coupled by a housing 206. Permanent magnets 202 and 203 are respectively installed at the centers of the left and right outer yokes 201.
상기 보이스코일 모터의 가동자인 코일(204)은 보빈(207)의 상하부에 권선되어 고정되고, 상기 보빈(207)의 내부에는 중앙요크(200)가 내입되어 고정되며, 상기 보빈(207)은 4개의 리프 스프링(205)으로 하우징(206)과 연결된다.The coil 204, which is the mover of the voice coil motor, is wound by being fixed to upper and lower portions of the bobbin 207, and a central yoke 200 is inserted into and fixed to the inside of the bobbin 207, and the bobbin 207 is 4. Two leaf springs 205 to the housing 206.
상기에서 보이스코일 모터는 상하부에 좌우로 두 개의 공극(208,209)을 두어 상기 공극(208,209)에서의 자속밀도 차로 보빈(207)을 밀어 동작된다.In the voice coil motor, two voids 208 and 209 are disposed at the upper and lower sides to push the bobbin 207 with the magnetic flux density difference between the voids 208 and 209.
또한, 보빈(207)의 상하부에 권선된 코일(204)은 복수개로 적층되게 구성되며 대략 8∼12회 정도로 권선된다.In addition, the coils 204 wound on the upper and lower portions of the bobbin 207 are configured to be stacked in plural and are wound about 8 to 12 times.
한편, 상기 적층된 코일(204)은 필요에 따라 각 층으로 흐르는 전류 방향을 동일하게 구성하거나 서로 다른 방향으로 구성하고, 상기 상하부 코일에서 한쪽 코일(204)에만 전류를 인가하는 방법 등을 통해 보이스코일 모터의 추력을 다르게 구성할 수 있다.On the other hand, the stacked coil 204 is configured by the same or different directions of the current flowing in each layer, if necessary, the voice through the method of applying a current to only one coil 204 in the upper and lower coils, etc. The thrust of the coil motor can be configured differently.
따라서, 상기 코일(204)에 흐르는 전류가 같은 방향이면 미소 추력으로 동작하고, 전류가 서로 다른 방향이면 그 추력은 증가한다.Therefore, when the current flowing in the coil 204 is in the same direction, it operates with a small thrust, and when the current is in a different direction, the thrust is increased.
그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명의 보이스코일 모터의 설계과정을 첨부된 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.Then, the design process of the voice coil motor of the present invention having the above configuration will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 보이스코일 모터의 기본 구조는 나노인 덴터에 필요한 서브 마이크로 수준의 추력을 발생시키려면 상기 보이스코일 모터에서 공극(208,209) 자속밀도는 대략 0.01T 정도로 동작하여야 하며, 낮은 자속밀도로 동작 할 경우 넓은 전류 영역에서 추력의 선형성을 유지할 수 있도록 중앙요크(200)와 좌우 외부요크(201)의 상하부에 일정한 공극(208,209)을 유지하도록 보이스코일 모터를 설계하여야 한다.As shown in FIG. 2, the basic structure of the voice coil motor of the present invention requires that the magnetic flux density of the voids 208 and 209 in the voice coil motor should be about 0.01T in order to generate the sub-micro level thrust required for the nanoindenter. When operating at low magnetic flux density, the voice coil motor should be designed to maintain constant air gaps (208, 209) in the upper and lower portions of the central yoke 200 and the left and right outer yokes 201 to maintain linearity of thrust in a wide current range. .
상기 보이스코일 모터의 추력은 아래의 수학식 1로 도출된다.Thrust of the voice coil motor is derived by Equation 1 below.
상기 N : 코일의 턴수, B1: 상부 공극 자속밀도, B2: 하부 공극 자속밀도, i : 입력전류, l : 코일의 유효길이를 각각 나타낸다.Where N is the number of turns of the coil, B 1 is the upper pore magnetic flux density, B 2 is the lower pore magnetic flux density, i is the input current, and 1 is the effective length of the coil.
또한, 모터의 전체 크기는 나노급에서 작동되어야 되므로 그 크기의 제약으로 인하여 50*10*40mm 이하로 설계하며, 코일은 최소 1uN의 추력을 발생되도록 전류는 1㎃, 자속밀도 차는 0.01T를 유지하고, 보이스코일 모터의 추력은 N × l 은{10}^{-1} 이 되어야 한다. 따라서, 코일의 직경 0.2mm이고, 상기 코일의 권수는 대략 8∼12이며, 코일의 유효길이는 0.01∼0.02m로 결정한다.In addition, the overall size of the motor must be operated at the nano-scale, so it is designed to be 50 * 10 * 40mm or less due to its size limitation, and the current is maintained at 1㎃ and the magnetic flux density difference is 0.01T so that the coil generates at least 1uN of thrust. The thrust of the voice coil motor should be equal to {10} ^ {-1}. Therefore, the diameter of the coil is 0.2 mm, the number of turns of the coil is approximately 8 to 12, and the effective length of the coil is determined to be 0.01 to 0.02 m.
또한, 요크의 재질로는 누설자속을 줄이기 위하여 투자율이 높은 재질을 사용하고, 가동자인 코일(204)이 움직이는 영역을 대략 6∼8mm로 유지하게 구성한다.In addition, as a material of the yoke, a material having a high permeability is used to reduce the leakage magnetic flux, and the area in which the coil 204 which is the mover moves is maintained at about 6 to 8 mm.
도 3에 도시된 바와 같이, 영구자석(202,203) 크기 결정은 상기에서와 같이 보이스코일 모터의 기본 설계(S501) 즉, 보이스코일 모터의 전체크기 및 코일(204)의 권수 및 영구자석(202,203)의 크기를 계속적으로 변화(S502)시켜 자속밀도를 구하기 위해 임의의 자속밀도를 가정하고, 각 부분의 자속밀도(S503) 및 철심의 비선형 B-H곡선 적용(S504)하여 자속밀도 및 비선형 B-H곡선을 산출(도 4 및 도 5참조)하여 산출된 결과 값으로 수렴판정(S505) 및 투자율을 재산정(S506)한다.As shown in FIG. 3, the size of the permanent magnets 202 and 203 is determined by the basic design of the voice coil motor (S501), that is, the total size of the voice coil motor and the number of turns of the coil 204 and the permanent magnets 202 and 203. The magnetic flux density and nonlinear BH curve are calculated by assuming a random magnetic flux density to continuously calculate the magnetic flux density (S502) and calculating the magnetic flux density by applying the magnetic flux density (S503) and the nonlinear BH curve of the iron core (S504). The convergence determination (S505) and the permeability are recalculated (S506) based on the calculated result value (see FIGS. 4 and 5).
상기에서의 자속밀도는 아래의 수학식 2로 산출된다.The magnetic flux density in the above is calculated by Equation 2 below.
Fm : 영구자석에 의한 기자력Fm: Magnetomotive force by permanent magnet
A : 철심의 면적(=공극의 면적)A: Area of iron core (= area of void)
Rg : 공극의 자기저항Rg: magnetoresistance of air gap
R1: 철심의 자기저항(path1)R 1 : magnetoresistance of iron core (path1)
R2: 철심의 자기저항(path2)R 2 : magnetoresistance of iron core (path2)
상기에서의 투자율 산정은 아래의 수렴 수학식 3으로 산출한다.Permeability calculation in the above is calculated by the convergence equation 3 below.
상기에서와 같이, 임의의 결정한 자속밀도를 통해 여러 번 반복을 통해 영구자석(202,203)의 자속밀도 및 비선형 B-H곡선을 정확하게 산출한 다음 상기 영구자석(202,203)의 크기를 결정(S507)하고, 보이스코일 모터에 설치되는 영구자석(202,203)의 위치는 두 공극(208,209)에서의 자속밀도 차 즉, 유한요소법(Finite element method)을 통하여 영구자석(202,203)의 위치를결정(S508)한다.As described above, the magnetic flux density and the nonlinear BH curve of the permanent magnets 202 and 203 are accurately calculated through repeated iterations through any determined magnetic flux density, and then the size of the permanent magnets 202 and 203 is determined (S507). The positions of the permanent magnets 202 and 203 installed in the coil motor determine the positions of the permanent magnets 202 and 203 through the difference in magnetic flux density, that is, the finite element method, in the two voids 208 and 209 (S508).
즉, 영구자석의 위치 결정은 좌우 외부요크(201)의 중앙으로부터 위쪽으로 위치할 때 아래쪽 공극(209)에서의 누설자속이 위쪽 공극(208)에서의 누설자속보다 많아지게 되어 위쪽 공극(208)을 쇄교하는 자속이 아래 공극에서 자속밀도의 차이가 발생된다. 이러한, 상하부의 공극(208,209)의 자속밀도 차는 표 1에서와 같이 미소추력을 발생하게 되는 것이다. 즉, 좌우 외부요크(201)의 중심을 원점이라 하면 영구자석(202,203)이 Z방향으로 0.1mm 씩 증가할 때마다 대략 1.5 × 10-3의 미세한 차이를 볼 수 있다.That is, when the permanent magnet is positioned upward from the center of the left and right outer yokes 201, the leakage magnetic flux in the lower air gap 209 becomes larger than the leakage magnetic flux in the upper air gap 208, so that the upper air gap 208 is located. The difference between the magnetic flux densities in the pores below occurs. The magnetic flux density difference between the upper and lower pores 208 and 209 generates micro thrust as shown in Table 1. That is, when the center of the left and right outer yoke 201 is the origin, a slight difference of approximately 1.5 × 10 −3 can be seen whenever the permanent magnets 202 and 203 increase by 0.1 mm in the Z direction.
상기와 같이, 나노인 덴터에서 요구되는 미소추력을 영구자석(202,203)의 위치를 조절하여 필요한 미소추력을 발생시킬 수 있게 되는 것이다.As described above, it is possible to generate the necessary micro thrust by adjusting the position of the permanent magnets (202, 203) to the micro thrust required in the nano-indenter.
이어서, 전류에 따른 가동자의 추력을 산출(S509)한다.Subsequently, thrust of the mover according to the current is calculated (S509).
먼저, 중앙요크(200)의 자속밀도에 따른 추력는 아래의 표 2에서와 같이 전류에 대한 추력을 나타낸다. 철심에서 포화가 일어날수록 코일(204)에 의한 자속의 영향을 상대적으로 줄일 수 있으므로 전류에 의한 자속의 영향을 받지 않는 이상적인 직선과 가장 근접한 것이 중앙요코(200)일 때가 가장 근접함을 확인할 수 있다.First, the thrust according to the magnetic flux density of the central yoke 200 represents the thrust for the current as shown in Table 2 below. As saturation occurs in the iron core, the influence of the magnetic flux by the coil 204 can be relatively reduced, so it can be seen that the closest to the ideal straight line not affected by the magnetic flux by the current is when the central yoko 200 is closest. .
또한, 전류에 대한 보이스코일 모터의 추력은 표 3에 도시된 바와 같이, 0∼5[A]까지 증가했을 때 발생하는 추력은 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 공극(208,209) 자속밀도의 편차로 인하여 초기위치에서 100㎛이동했을 때 추력이 초기위치에서 보다 더 큰 오차를 보인다. 전류가 증가할 때는 전류에 의한 다속 증가의 영향을 줄일 수 없기 때문에 최대의 전류가 5[A]가 흐를 때 가장 큰 오차를 보이게 된다.In addition, as shown in Table 3, the thrust of the voice coil motor with respect to the current can be seen that the thrust generated when increased to 0 to 5 [A] increases almost linearly. Due to the variation in the magnetic flux density of the voids 208 and 209, the thrust shows a larger error than the initial position when moved to 100 占 퐉 from the initial position. When the current increases, the influence of multi-speed increase due to the current cannot be reduced, so the maximum error shows the largest error when 5 [A] flows.
따라서, 두 개의 공극(208,209)에서 발생하는 추력의 차를 이용하여 최대 이동변위 100㎛까지 일정한 미소 추력이 발생하게 되는 것이다.Therefore, by using the difference in the thrust generated in the two voids (208, 209) is a constant small thrust is generated up to the maximum displacement displacement 100㎛.
한편, 전술된 본 발명은 바람직한 실시 예에 대하여 도시하여 설명하였으나, 상기 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.On the other hand, the present invention described above has been described with reference to the preferred embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, in the field to which the present invention belongs without departing from the spirit of the invention claimed in the claims Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes will fall within the scope of the claims set forth.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 나노인 덴터용 보이스코일 모터의 중앙요크와 좌우 외부요크 상하부의 공극에 의한 자속밀도 차를 이용하여 자기회로의 경로인 철심을 포화시킴으로 넓은 전류범위에서 추력이 선형성을 유지하고 상기 공극의 자속밀도의 편차를 최소화하여 최대 이동변위 100㎛까지 일정한 추력 발생하게 되는 장점을 갖게 되는 것이다.As described above, the present invention saturates the iron core, which is the path of the magnetic circuit, by using the difference in magnetic flux density due to the gap between the upper and lower sides of the central yoke and the left and right outer yokes of the nanoindenter voice coil motor. By maintaining and minimizing the deviation of the magnetic flux density of the air gap will have the advantage of generating a constant thrust up to the maximum displacement displacement 100㎛.
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| KR (1) | KR100472829B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102001644B1 (en) * | 2018-02-09 | 2019-07-18 | 계명대학교 산학협력단 | A magnetic press device using halbach cylinder structure and control method thereof |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN1003822B (en) * | 1984-10-09 | 1989-04-05 | 三菱矿业水泥株式会社 | Electromagnetic actuator |
| JPH04109856A (en) * | 1990-08-30 | 1992-04-10 | Fujitsu Ltd | Head access motor |
| US6043573A (en) * | 1998-11-12 | 2000-03-28 | Systems, Machines, Automation Components, Corporation | Linear actuator with burn-out-proof coil |
-
2002
- 2002-07-10 KR KR10-2002-0039974A patent/KR100472829B1/en not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR102001644B1 (en) * | 2018-02-09 | 2019-07-18 | 계명대학교 산학협력단 | A magnetic press device using halbach cylinder structure and control method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100472829B1 (en) | 2005-03-10 |
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