KR20060031789A - 솔레노이드형 리니어 모터 및 그 구동회로 - Google Patents

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KR20060031789A
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  • Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)

Abstract

본 발명은 리니어 모터 및 이를 구동하기 위한 구동 회로에 관한 것으로, 이동체(또는 고정체)에 구비되어 위치에 따라 자속밀도가 다른 영구자석과 고정체(또는 이동체)에 구비되어 전기적으로 연결하여 인가되는 전원의 양과 방향에 따라 자력은 가변되고 자극은 변경되는 유도자석의 상호작용에 이해 이동체가 이동할 수 있도록 하는 솔레노이드형 리니어 모터와, 상기 솔레노이드형 리니어 모터(부하)를 구동하기 위해 부하에 인가되는 전원의 양을 가변시켜 출력 특성을 제어하고 전원의 방향을 바꾸어 출력의 세기 및 부하의 운동 방향을 제어하기 위한 구동회로에 관한 것이다.
리니어 모터, 고정체, 이동체, 영구자석, 유도자석, 가변전압원, 스위칭부

Description

솔레노이드형 리니어 모터 및 그 구동회로{Sollenoid Linear Motor and Dirving Circuit}
도1은 본 발명에 따른 솔레노이드형 리니어 모터 및 그 구동회로를 나타낸 회로도
도2는 본 발명의 솔레노이드형 리니어 모터의 실시예가 적용된 카메라 모듈을 나타낸 구성도
도3은 본 발명의 솔레노이드형 리니어 모터의 실시예에 따른 영구자석배치의 예를 나타낸 예시도
도4는 본 발명의 솔레노이드형 리니어 모터의 실시예에 따른 코일 및 고정 자석의 배치를 나타낸 구성도
도5는 본 발명의 솔레노이드형 리니어 모터의 실시예에 따른 단계별 코일 사이의 이동 구간을 나타낸 구성도
도6은 본 발명에 따른 구동회로의 구성도
도7는 본 발명에 따른 구동회로의 가변전압원을 나타낸 회로도
도8는 본 발명에 따른 구동회로의 회로도
도9a 및 도9b는 본 발명에 따른 구동회로의 IC칩 구성도
도10a 및 도10b는 본 발명에 따른 구동회로의 IC칩 구성도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 렌즈 20 : 내사출
30 : 영구자석(또는 영구자석배치) 40 : 스토퍼
50 : 와셔 60 : 코일(또는 유도자석)
70 : 외사출 80 : 이미지 센서(IS)
100 : 인쇄회로기판(PCB) 110 : 전원부
110a : 가변전압원 120 : 제어부
130 : 스위칭부 400a,400b : 부하(또는 부하1, 부하2)
본 발명은 리니어 모터 및 이를 구동하기 위한 구동 회로에 관한 것으로, 이동체(또는 고정체)에 구비되어 위치에 따라 자속밀도가 다른 영구자석과 고정체(또는 이동체)에 구비되어 전기적으로 연결하여 인가되는 전원의 양과 방향에 따라 자력은 가변되고 자극은 변경되는 유도자석의 상호작용에 이해 이동체가 이동할 수 있도록 하는 솔레노이드형 리니어 모터와, 상기 솔레노이드형 리니어 모터(부하)를 구동하기 위해 부하에 인가되는 전원의 양을 가변시켜 출력 특성을 제어하고 전원의 방향을 바꾸어 출력의 세기 및 부하의 운동 방향을 제어하기 위한 구동회로에 관한 것이다.
일반적으로 휴대폰, PDA와 같은 이동통신기기는 표시부를 밝게 유지시켜 주기 위한 수단으로 LED를 구비하고 있고, 매너모드에 사용되는 브레쉬타입 코인 형 진동 모터 또는 실린드(바)형 진동모터등을 구비하고 있으며, 이 외에도 인가되는 전압 또는 전류의 양에 따라 출력 특성이 달라지는 FET류, 다이오드류, 이미지센스류(CCD,C-MOS), LCD류, 유기(또는 무기)EL, 코일등의 부하들을 선택적으로 구비하고 있다.
종래에는 일반적으로 휴대폰의 백라이트인 LED의 경우, LED점등제어신호의 논리레벨에 따라 온/오프 제어가 되는데 상기 LED점등제어신호는 제어원의 GPIO단자를 통해 출력되어 스위칭 수단을 거쳐 LED에 인가되는 전류를 제어하였다. 하지만, 폴더등의 개폐에 따라 획일적으로 LED가 온/오프되기 때문에 주변 조도가 밝은 경우에도 일정시간동안 점등되어 불필요한 전원이 소비되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 진동 모터는 항상 회전 방향이 한쪽 방향으로만 회전할 수 있도록 되어 있고, 진동 모터의 체적이 줄어듦으로서 진동력은 계속 낮아졌다. 그리고, 모터의 회전속도에 따라 진동력이 달라지게 되는데 모터의 진동력을 복잡한 외부회로를 사용하여 회전속도를 제어함으로써 진동패턴을 다양하게 구현할 수 있거나 그렇지 않은 경우에는 진동패턴을 단순화하여 구현할 수 밖에 없었다.
마찬가지로 솔레노이드형 리니어 모터의 경우에도 단극(N 혹은 S극)의 고정자석과 유도자석인 코일에 단방향의 전류를 인가하여 고정자석과 유도자석의 자기적 결합력으로 이동체를 직선이동하게 하고, 왕복운동 및 위치유지를 위해 스프링 을 사용하여 스프링의 탄성계수와 결합력과의 관계를 이용하여 이동체의 왕복운동 및 위치유지를 하였다. 하지만, 이 경우 코일에 흐르는 전류의 세기와 스프링에 의한 탄성계수를 적절히 맞추어 조절해야 하기 때문에 설계가 어렵고, 스프링을 사용하여 이동체의 위치를 유지시키기 위해서는 유도자석으로 전원을 계속적으로 공급하여야 하므로 소비전력의 낭비가 심해지고, 생산 수율이 낮아 제품화되어도 위치 제어가 힘든 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 위치에 따라 영구자석의 자속밀도를 다르게 배치하고 유도자석에 양방향의 전류를 인가하여 이들의 상호작용에 의해 이동체가 이동할 수 있도록 하고, 스토퍼를 구비하여 이동체의 이동속도 제어가 가능함과 동시에 전원을 끊어도 위치유지가 가능하도록 하는 솔레노이드형리니어 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 상기 솔레노이드형 리니어 모터와 같은 부하를 구동하고 그 출력특성을 제어하기 위해서, 가변전압원와 브릿지 회로로 구성된 스위칭부를 구비하여 제어부를 통해 인가되는 다양한 제어신호에 따라 부하에 걸리는 전압의 양, 방향등을 조절할 수 있도록 하고, 칩 패키지 형태로 구현하여 부하의 출력특성을 제어할 수 있는 구동회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리니어 모터는 이동 대상물을 장착하여 인가되는 전원에 의해 그 위치가 이동하는 구성체인 이동체와, 상기 이동체의 이동 기준이 되는 구성체인 고정체로 구성하되,
상기 이동체는, 전기회로와 연결된 코일로 구성되어 인가되는 전원의 크기와 방향에 따라 자력과 자극이 가변되는 유도자석과, 위치별 자속밀도가 다른 영구자석의 상호작용에 의해 이동되는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 유도자석과 상기 영구자석은 이동체와 고정체에 각각 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유도자석이 위치하는 구성체에 구성하여 상기 이동체의 이동 속도를 제어하고 상기 유도자석에 인가되는 전원이 끊어졌을 때 상기 영구자석에 달라붙는 결합력을 이용하여 상기 이동체의 위치를 유지할 수 있는 보자력을 지닌 금속으로 된 스토퍼를 하나 이상 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구동회로는 제1제어신호 및 제2제어신호를 발생시키는 제어부와, 입력되는 상기 제1제어신호의 값에 의해 출력전원이 온/오프되거나 그 크기가 가변되는 전원부와, 상기 전원부의 출력단에 연결되어, 다수개의 스위치(SW1,SW2,SW3,SW4)가 브릿지 형태로 구성되고 상기 제어부에서 출력된 제2제어신호에 의해 상기 다수개의 스위치가 번갈아 온/오프하여 상기 출력전원의 방향을 변경하는 스위칭부로 구성되고,
상기 전원부는 인가되는 가변전원값에 따라 그 출력특성이 제어되는 제1부하를 연결하고, 상기 스위칭부는 인가되는 가변전원값 및 방향에 의해 그 출력특성이 제어되는 제2부하를 연결하여 각 부하를 구동하고 그 출력특성을 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기와 같이 구성된 본 발명은 상기 제어부, 가변전압원, 스위칭부를 각각 별도의 칩 패키지로 구현하거나, 상기 가변전압원과 상기 스위칭부를 동일한 칩 패키지로 구현하고 상기 제어부를 별도의 패키지로 구현하거나, 상기 제어부, 가변전압원, 스위칭부를 동일한 칩 패키지로 구현하는 것 중 어느 하나로 구현하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 솔레노이드형 리니어 모터의 구성은 크게 고정체와 이동체로 나눌 수 있다.
고정체는 이동체의 이동 기준이 되는 구성체로 세부적 구조물로 조합된 것이고, 이동체는 상기 고정체를 기준으로 이동 대상물(렌즈/분동/물질/물체등)을 기계, 기구적으로 장착하여 인가되는 전기에 의해서 위치를 고정체의 직선선상에서 특정 위치로 이동시켜주는 구성체로서 그 구성은 세부적 구조물로 조합된다.
상기와 같은 이동체와 고정체의 구분은 고정체라 하여 항상 위치가 정해진 것은 아니며 이동대상을 포함한 이동체의 이동의 기준이 되는 틀을 의미 하는 것이다. 일례로 어떤 수단으로 고정체가 특정 위치로 이동해도 그 고정체를 기준으로 이동체가 이동 할 수도 있다는 의미이다.
본 발명에 따른 리니어 모터의 동작원리 및 구조는 휴대폰에 적용되는 광학 줌 및 오토 포커스용 디지털 카메라의 구성을 일 예로 설명한다.
상기 디지털 카메라에서 카메라용 광학 줌 및 오토포커스의 기능은 렌즈의 이동을 통해 이미지 센스에서 받아들여 지는 상의 크기를 조절하는 것으로 그 이동 대상은 주로 렌즈이고, 상기 렌즈는 이동체에 장착되고 상기 이미지 센스는 고정되어 있지만, 상기 렌즈를 고정하고 대신 상기 이미지 센스를 이동하는 것도 가능하다.
도2는 본 발명의 솔레노이드형 리니어 모터의 실시예가 적용된 카메라 모듈을 나타낸 구성도로서, 도시된 바와 같이, 영구자석이 이동체에 장착되는 경우, 고정체는 외사출(70), 코일(60), 와셔(50), 스토퍼(40), 이미지센스(IS)(또는 이미지 센스 프로세스(ISP))(80), 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)(100)으로 구성되고, 이동체는 내사출(20), 렌즈(10), 영구자석(30)으로 구성한다.
한편, 코일이 이동체에 장착되는 경우, 고정체에 영구자석(30)이 구성되고, 이동체에 코일(60)과 스토퍼(40)가 구성되는데, 하기에서는 영구자석이 이동체에 장착되는 경우를 예를 들어 설명한다.
먼저, 고정체의 구성을 살펴보면,
상기 외사출(70)은 제품의 몸체, 외관 형성 및 외력에 의한 구조물의 변형 방지 및 열 발산 등을 목적으로 하고, 금속 혹은 비금속으로 제작한다.
상기 코일(60)은 전류가 인가되면 유도자석(60)이 되어 인가되는 전류의 양 에 의해 자력의 세기가 변화하고, 그 자력의 변화로 인해 타극성간에는 서로 당기는 결합력인 인력이 작용하고 동 극성간에는 밀어내는 힘인 척력이 작용하여 영구자석(30)과 자기적으로 결합이 되어 영구자석(30)이 장착되어 있는 이동체의 위치 이동 속도의 변화를 줄 수 있고, 인가되는 전류의 흐름을 바꾸면 코일(60)에 흐르는 전류의 흐름이 바뀌게 되어 상기 이동체의 이동 방향에 변화를 줄 수 있다. 이러한 동작을 수행하기 위해서 상기 코일(60)은 외부 구동회로(200)와 전기적으로 연결된다.
상기 스토퍼(40)는 보자력을 갖는 금속(철 등)으로 단면 모양 및 개수는 임의로 할 수 있으며 유도자석(60)이 부착된 구성체에 위치한다. 즉, 유도자석(60)이 고정체에 위치하면 고정체에 부착되고, 유도자석(60)이 이동체에 위치하면 이동체에 부착된다. 상기 이동체가 특정 위치에 놓였을 때, 상기 코일(60)에 전류를 끊으면 영구자석(30)에 스토퍼(40)가 달라 붙는 결합력을 이용하여 이동체의 위치 유지를 가능하게 해준다. 또한, 상기 스토퍼(40)와 영구자석(30)간 결합력보다 유도자석(60)과 영구자석(30)의 결합력이 더 클 때 이동체는 이동하기 때문에 이로써 제어할 수 있다. 유도자석(60)과 영구자석(30) 간에 당기는 힘(인력)이 강할 경우에는 이동체의 이동 속도가 빨라지게 되는데 이 때 상기 스토퍼(40)는 이동 속도를 간접적으로 제어할 수 있다.
상기 이미지 센스(또는 이미지 센스 프로세스)(80)는 일반적으로 디지털 카메라에서 피사체의 상을 감지하여 감지된 신호를 전기신호로 만들고 이 전기신호를 전기적으로 처리하기 좋은 신호로 변환시키는 역할을 한다.
상기 인쇄회로기판(PCB)(100)은 모든 전기 부품의 기판이 되는 것으로, 상기 코일(60)의 양단을 전기적으로 연결하고, 상기 구동회로(200)의 기판으로 사용하여 상기 이미지 센스(또는 이미지 센스 프로세스)(80)와 상기 코일(60), 상기 구동회로(200)와 전기적으로 연결을 한다. 때에 따라서는 상기 구동회로(200) 부분을 다른 PCB에 배열할 수 있으나 전기적으로는 반드시 연결되어야 한다.
상기 와셔(50)는 이동체와 고정체 사이 에어 갭 극복 및 이동에 대한 마찰을 줄여 주는 역할을 하며, 이동체에 구비할 수도 있고, 경우에 따라서는 없어도 된다.
다음으로 이동체의 구성을 살펴보면,
상기 내사출(20)은 이동체의 몸체, 외관 형성을 하며 내/외력에 대한 내부, 외부 구조물의 보호하는 틀이다.
상기 영구자석(30)은 상기 고정체의 유도자석(60)과 자기적으로 결합하여 이동체를 움직이는 주요 원인이 되는 구조물로서 상기 영구자석 배치는 위치별 자속밀도가 상승 혹은 하강하고 두 극성(N,S)이 대칭 혹은 비대칭으로 배열된 구조를 갖는다.
상기 렌즈(10)는 카메라 초점 거리를 만드는 부위로 카메라 광학줌용 모듈의 이동 대상이며 이동체에 놓이는 구조물이다. 광학줌 및 오토 포커스용 모듈에서는 렌즈의 이동(또는 이미지센스의 이동)에 의해서 광학적 원리가 구현되는데, 상기 렌즈(10)의 이동은 광학의 원리 및 구조를 적용하여 이동체의 특정 위치에서 광학 적 원리에 따라 고정 장착된다.
상기와 같은 제품 구성의 전체적 구조물들은 제품에 따라 다를 수 있으나 유도자석(60)과 영구자석(30)은 반드시 서로 다른 구성체(고정체,이동체)에 놓여야 한다. 또한 상기 스토퍼(40)는 유도자석(60)과 같은 구성체에 둔다. 즉 고정체에 영구자석(30)이 놓이면 이동체에는 유도자석(60)과 스토퍼(40)를 두고, 이동체에 유도자석(60)과 스토퍼(40)가 놓이면 고정체에는 반드시 영구자석(30)을 둔다. 그리고 이동체에는 제품의 이동대상물 즉, 렌즈, 분동, 물질, 물체 등을 둔다.
또한, 이동체가 이동구간를 벗어나는 것을 방지하기 위해 이동체의 밑면과 고정체의 외사출 윗면과 아랫면에 기구적인 요철을 주어 벗어남을 방지하거나 이동체 윗면 아랫면과 고정체의 윗면에 요철을 주어 벗어나지 않게 하는 구조도 가능하다. 이러한 부분은 일반적인 사항임으로 자세한 언급은 하지 않는다. 그리고, 이동체의 내사출과 고정체에 이동축과 평행인 방향으로 구조적 기구적 가이드 선을 양각/음각으로 처리할 수도 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 솔레노이드형 리니어 모터의 동작은 크게 4가지 동작으로 나눌 수 있는데,
첫번째는 이동체가 직선 이동하는 직선이동 동작, 두번째는 전기적 신호에 의해 직선운동이 순방향/역방향으로 이동을 하는 왕복이동 동작, 세번째는 이동속도가 제어 가능한 가변이동 동작, 네번째는 임의 위치에서 전기신호 및 전류를 인 가 하지 않아도 위치가 유지되는 위치유지 동작이다.
도1은 본 발명에 따른 솔레노이드형 리니어 모터 및 그 구동회로를 나타낸 회로도이고, 도3은 본 발명의 솔레노이드형 리니어 모터의 실시예에 따른 영구자석배치의 예를 나타낸 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 4가지 동작을 수행하기 위해서 전원부(전류원 또는 가변전압원으로 구성됨)(110)와 스위칭회로로 구성된 스위칭부(130), 이를 제어하는 제어부(120)로 구성되고, 상기 제어부(120)는 스위칭부(130)로 제어신호1를 인가하여 이동체의 이동방향을 결정하며 제어신호2로는 전원부(110)의 전원을 가변 혹은 온/오프(ON/OFF)시키는 역할을 한다. 그리고, 상기 스위칭부(130)에 연결되어 전원을 인가받는 유도자석(코일에 전원이 인가되면 유도자석이 됨)(60)과, 상기 유도자석과의 상호작용(인력/척력)을 통해 이동체가 움직일 수 있도록 하는 영구자석(30)과, 이동체의 위치를 유지와 이동속도 제어를 위한 스토퍼(40)로 구성된다. 이 때 상기 스토퍼(40)는 추가구성으로서 하나 이상 구성할 수 있지만, 구성하지 않을 수도 있다.
첫번째 직선운동 동작은 먼저 코일(60)에 전원이 인가되고 스위칭부(130)에 의해 코일(60)에 흐르는 전류의 방향을 1의 방향으로 줄 때 영구자석(30)과 마주보는 면에 N극이 발생한다고 가정하면 영구자석(30)은 A방향으로 직선 이동한다. 만일 영구자석(30)을 고정시키고 코일(60)을 이동 가능하게 한다면, 이 경우에는 코 일(60)이 B방향으로 이동하게 된다.
그 이유는 도 3의 영구자석배치에서 보는 바와 같이, 영구자석(30)의 자속 밀도가 코일(60)에 생긴 N극과 자속밀도가 높은 밑면 S극과의 결합력(인력)이 더 강하기 때문에, 상기 코일(60)을 고정시키고 영구자석(30)을 이동 가능하게 한다면 영구 자석(30)은 A방향으로 이동한다. 반대로 A방향으로 이동한 영구자석(30)을 다시 B방향으로 이동하려면 전원을 인가하고 스위칭부(130)를 통해 코일(60)에 흐르는 전류의 방향을 2방향으로 바꾸면 영구 자석(30)과 마주보는 면에 S극이 생기고 코일(60)의 S극은 영구자석(30)의 N극과 결합하려 하며 영구자석배치(30)에서 N극의 자속 밀도가 높은 윗면과 결합하려 하므로 영구자석(30)은 B방향으로 직선 운동하게 된다. 만일 영구자석(30)을 고정시키고 코일(60)이 이동 가능하게 한다면 이 경우 코일(60)은 A방향으로 이동한다.
여기에서 도3은 자석의 제작방법, 자석의 배치, 보자력을 띤 브라켓의 사용등으로 인해 위치별 자속밀도의 변화를 도시한 것으로, 두 지점으로 대치된 두 극(N,S극)간에 위치별 자속밀도의 변화를 연속적/순차적/급진적으로 증가 혹은 감소시키는 구조이다. 또한 하나의 몸체가 아니라 다수로 분리하여 조립 가능한 예를 나타낸 것으로 제품별로 그 모양은 속이 비어 있는 원기둥형, 속이 비어 있는 삼각/사각/다수각 기둥형으로 구성할 수 있는데, 단지 이해를 돕기 위해 평면상에 구성된 것에 불과하다. 또한, 영구자석배치를 굳이 직선형태로 구분할 필요는 없으며 곡선 혹은 계단형 등 복수형태로 배치하거나 착자 방법, 보자력을 갖는 금속(브라켓)과 자석을 구조적으로 배열하여 위치에 따른 자속 밀도의 변화를 주는 등 다 양한 방법 가능하다.
두번째 왕복이동 동작은 상기의 결과에서 스위칭부(130)를 통해 코일(60)에 흐르는 전류의 방향을 바꾸면 순방향 또는 역방향으로의 이동 방향 제어가 가능하므로 직선 선상에서 왕복이동 제어가 가능하다.
세번째 가변이동 동작은 코일(60)에 흐르는 전류의 량을 전원부(110)에서 가변하면 코일(60)의 자력세기가 달라진다. 즉, 고정된 영구 자석(30)의 자력과 결합하려는 힘이 달라져 이동속도가 달라진다. 코일(60)에 높은 전류를 흘려주면 영구자석(30)은 빠른 직선 이동을 하게 되고, 낮은 전류를 흘려주면 느린 직선 이동을 하게 되어 이동속도 제어가 가능하게 된다. 위치 별 자속 밀도 기울기를 변화 시켜도 코일(60)에 동일한 전류를 인가한다고 가정하면 영구자석(30)의 자속밀도 기울기에 따라 이동속도는 달라지게 된다. 이점을 이용하면 진동 시스템 같이 빠른 이동을 요하는 제품군 설계에서 자속밀도의 기울기는 급할수록 좋고, 카메라와 같은 정밀한 이동을 요하는 제품에서는 기울기가 낮을수록 미소 위치 이동이 가능하다.
네번째 위치유지 동작은 이동 방향에 있어 임의 위치에서 그 위치를 유지 하려면, 코일(60)에 전류를 인가하여 이동시키다가 임의 위치에 왔을 때 전원을 차단(OFF)하면 된다. 이때, 이동체의 무게 혹은 외부 영향으로 인해서 이동체가 이동할 수 있는 데 이것을 극복하기 위해서 보자력을 띤 금속을 스토퍼(40)로 사용하여 영구자석(30)과 다른 구성체에 장착한다. 즉, 영구자석(30)이 고정체에 장착되면 스토퍼(40)는 이동체에 두고 영구자석(30)이 이동체에 장착되면 스토퍼(40)는 고정체에 두어 영구자석(30)과 스토퍼(40)간 결합력으로 이러한 외부영향에 대한 이동을 극복할 수 있게 되고, 또한 이동체의 위치 유지가 가능해 진다.
단, 이동체의 이동은 스토퍼(40)와 영구자석(30)간 결합력과 이동체와 고정체 사이의 마찰력과 이동체와 지구의 만유인력과의 관계(이동체의 이동방향이 지구 중심쪽이면 이동의 도움원이 되며, 반대방향이면 방해원이 됨)등보다 높은 영구자석과 유도자석간 결합력이 되어야 이동체는 이동한다.
도4는 본 발명의 솔레노이드형 리니어 모터의 실시예에 따른 코일 및 영구 자석의 배치를 나타낸 구성도로서, 이동방향에 대한 코일의 다양한 개수와 이형 착자된 영구 자석의 배치 관계를 나타낸 것으로 복합적으로 적용할 수 있는 일예를 표시한 것이다. 유도자석과 영구자석의 배치 형태는 유도자석의 자력선 방향과 영구자석의 자력선 방향이 수직, 수평, 혹은 각을 주는 형태로 여러가지로 배치할 수 있으나, 가장 바람직한 것은 수직으로 배치하는 것이다. 또한, 코일 모양도 제품에 따라 다양한 형태로 만들 수 있으며 코일의 개수도 1개 이상으로 구성할 수 있다.
도5는 본 발명의 솔레노이드형 리니어 모터의 실시예에 따른 단계별 코일 사이의 이동 구간을 나타낸 구성도로서, 이동축 상에 다수개의 코일을 다단계로 배열하여 이동체의 핵심 구조물인 영구자석이 각 단계별 코일 사이를 이동하여 이동 길이의 연장이 가능한 예를 나타낸 것이다.
상기 이동체가 특정 단계의 위치에 들어오면 그 위치에 해당하는 코일 또는 인접 코일의 전원을 온/오프하여 이동체가 다음 단계로 위치 이동 할 수 있고, 해당 코일에 전류의 변화를 가변하면 이동 속도를 제어할 수 있다. 즉, 코일1의 유효 거리(이동구간) 내에 이동체가 위치하면 코일1에 전류를 인가하여 위치를 제어하고, 코일2의 유효거리에 이동체가 존재하면 코일1에 전류를 차단하고 코일2에 전류를 인가하여 위치를 제어하고, 코일3의 유효거리에 이동체가 존재하면 코일2에 전류를 차단하고 코일3에 전류를 인가하여 이동체의 위치를 제어한다.
도5에 도시된 것과는 반대로 영구자석을 1개 이상 구성하여 다단계로 배열하고 이동체인 코일을 단계별로 이동시켜 이동 길이를 연장하는 것도 가능하다.
다음으로 상기에서 설명한 본 발명에 따른 솔레노이드형 리니어 모터를 구동하기 위한 구동회로(200)에 관하여 상세히 설명한다.
상기 구동회로는 본 발명에 따른 리니어 모터 뿐만 아니라 저항류, 트랜지스터류, FET류, 다이오드류, 이들의 조합회로, 이미지센서류, LED, LCD, 유기 또는 무기EL, DC-DC컨버터, 코일류, 전압제어모터류, DC모터류, 리니어모터류, 진동모터류등과 같은 다양한 부하들과 연결하여 상기 부하를 구동하고, 그 출력특성을 제어하기 위한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 구동회로의 구성도이고, 도 7은 본 발명에 따른 구동회로의 가변전압원을 나타낸 회로도이며, 도 8는 본 발명에 따른 구동회로의 회로도이다.
도 6 및 도 8에서와 같이, 본 발명에 따른 구동회로는 제어부(120), 가변전압원(110a), 스위칭부(130)로 구성되고, 상기 가변전압원(110a)이나 상기 스위칭부(130)에 부하(400a,400b)를 연결한다. 상기 구동회로(200)는 전원부(110)가 가변전 압원이나 전류원으로 구성될 수 있는데, 상기 구동회로는 전원부(110)를 가변전압원(110a)으로 구성한 경우를 예를 들어 설명한다.
상기 제어부(120)는 상기 가변전압원(110a)의 출력전압(Vo)을 변경시킬 수 있는 제1제어신호와 상기 스위칭부(130)의 스위치를 제어하기 위한 제2제어신호를 발생시킨다.
상기 제1제어신호는 PAM(Pulse Amplitude Modulation), PWM(Pulse Width Modulation), PDM(Pulse Density Modulation), 사운드음, DAC(Digital to Analog Converter), GPIO(General Purpose Input Output)등과 같이 전압 또는 전류로 표현될 수 있는 모든 전기적 변경 신호를 이용할 수 있다.
이 때, 상기 제1제어신호 중 PAM, PWM, PDM등과 같이 펄스 형태로 출력되는 전기적 신호는 필터링하여 일정한 DC 전압레벨로 변환시켜 주기 위한 필터링 수단인 LPF(Low Pass Filter)(121)를 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 제1제어신호 출력단에 2상태전압분배기(122)를 구비하여 상기 제1제어신호를 필터링하여 출력할 수도 있다.
상기 제2제어신호는 전압신호를 하이/로우(High/Low) 두가지 상태로 출력할 수 있고, 이 신호에 따라 상기 스위칭부(130)의 스위치들이 온/오프되어 상기 부하(400b)에 걸리는 전압 또는 전류의 방향을 바꿔준다. 또한, 다른 방법으로 2진 조합 입력을 하여 멀티플렉서, 디멀티플렉서, 엔코더 및 N입력 2의 N승 출력 논리 게이트 조합 중 어느 하나를 이용하여 2진 조합 출력하고 상기 스위칭부(130)의 제어 입력단에 입력시켜 제어하거나 1대 1로 입력시켜 제어할 수도 있다.
따라서, 상기 제어부(120)는 제1, 제2제어신호를 하나 또는 복수 개의 신호로 출력한다.
상기 가변전압원(110a)은 도 7에서와 같이 상기 제어부(100)에서 출력된 제1제어신호를 입력받아 출력전압(Vo)을 가변시키는 것으로, 트랜지스터, 증폭기 및 저항(R1,R2)으로 구성된다.
상기 증폭기는 Av의 전압이득을 갖는 것으로, 상기 증폭기의 비반전입력단자(+)는 상기 제어부(120)와 연결되어 제1제어신호(VR)를 입력받고, 반전입력단자(-)는 저항1(R1)과 저항2(R2)사이에 연결되어 있다. 또한, 상기 증폭기의 출력단자는 상기 트랜지스터의 베이스단과 연결되고, 트랜지스터의 콜렉터단에는 일정한 전원(Vin)이 인가되며, 트랜지스터의 이미터단은 상기 저항1(R1)의 일측과 연결되어 있다. 상기 일정한 전원(Vin)이란, 이동 통신 단말기나 게임기등과 같은 제품에 일정하게 공급되는 밧데리 전원을 말하는 것으로 고정된 값이다. 상기 저항1(R1)과 저항2(R2)는 직렬로 연결되어 상기 저항2(R2)를 통해 접지된다. 상기 저항2(R2)에는 βVo의 전압이 걸리며, β값은 상기 저항1(R1)과 저항2(R2)의 값에 따라 결정되는데, 그 값은 아래 수학식1과 같으며, 상기 저항1(R1)의 일측은 상기 트랜지스터의 이미터단 과 연결되어 이 노드가 출력전압(Vo)이 출력되는 출력단이 되고, 상기 출력전압(Vo)은 아래 수학식2와 같다.
Figure 112005002115198-PAT00001
Figure 112005002115198-PAT00002
따라서, 상기 제1제어신호(VR)의 값이 달라지면 상기 출력전압(Vo)값이 가변되어 이 크기의 전압이 상기 부하(RL)에 인가되어 출력특성을 제어할 수 있다.
상기 스위칭부(130)는 도8에서와 같이, 4개의 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)가 브릿지회로 형태로 구성되고, 상기 스위치들을 제어하기 위한 제어입력단(131)이 구성된다. 상기 스위칭부(130)는 상기 제어부(120)의 제2제어신호가 하이신호로 출력되면 상기 제어입력단(131)을 통해 스위치1(SW1)과 스위치4(SW4)로 구성된 스위칭1군(SW1,SW4)이 온되어 제2부하(RL2)에 x방향으로 전류가 흐르도록 전압이 걸리고, 제2제어신호가 로우신호로 출력되면 상기 제어입력단(131)을 통해 스위치2(SW2)와 스위치3(SW3)으로 구성된 스위칭2군(SW2,SW3)이 온되어 상기 제2부 하(RL2)에 y방향으로 전류가 흐르도록 전압이 걸린다. 즉, 상기 스위칭1군 및 스위칭2군이 상기 제어입력단(310)에 의해 서로 달리 온/오프되도록 하여 상기 부하에 걸리는 전압의 방향을 바꿀 수 있다.
본 발명의 구동회로는 제어부(120)에서 다양한 제어신호를 출력하여 신호에 따라 필터수단(121,122)을 통해 필터링한 후 상기 가변전압원(110a)에 입력하면 상기 입력되는 제1제어신호의 크기(VR)에 따라 전압의 크기가 가변되어 출력(Vo)되고, 상기 출력전압(Vo)이 부하(400a,400b)에 걸려 부하의 출력특성을 제어하게 된다. 상기 부하의 특성에 따라서 상기 가변전압원(110a)에 바로 부하1(RL1)을 연결하거나, 상기 스위칭부(130)에 부하2(RL2)를 연결한다.
상기 부하1(RL1)은 단지 출력전압(Vo)의 크기가 가변되어 그 출력특성이 달라지는 부하로서, 저항류, 트랜지스터류, FET류, 다이오드류, 이들의 조합회로, 이미지센서류, LED, LCD, 유기 또는 무기EL, DC-DC컨버터등이 있다.
또한, 상기 부하2(RL2)는 출력전압(Vo)의 크기가 가변되고, 출력전압(Vo)이 걸리는 방향을 변경하여, 흐르는 전류의 양과 방향을 바꾸어 줌으로써 그 특성을 제어할 수 잇는 부하로서, 코일류, 전압제어모터류, DC모터류, 리니어모터류, 진동모터류등이 있다.
상기 본 발명의 솔레노이드형 리니어 모터 및 그 구동회로는 오토포커스, 광학줌 카메라 렌즈 이동원, 산업용 모터등의 제품에 적용되는데,
상기 제1제어신호에 의해 출력전압이 가변되면 코일에 인가되는 전압이 변화되고, 이로 인해 코일에 흐르는 전류의 세기가 변화하여 유도되는 자력에 변화를 주어 이동체의 이동속도에 변화를 생기게 하며, 상기 제2제어신호에 의해 상기 스위칭부(130)의 스위칭1군 및 스위칭2군이 서로 다르게 온/오프되면 모터에 걸리는 전압의 방향이 달라짐으로써 상기 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌어 유도 자석의 극성 변화를 주면 영구자석과 극성 변화에 따른 힘의 방향이 달라져 이동 방향을 제어할 수 있게 된다.
또한, 이동통신기기 및 게임기등의 제품에 브레쉬 타입 코인형 진동모터나 실린드형 진동모터를 구동하는 회로로 상기의 구동회로가 적용될 수 있는데,
상기 제1제어신호에 의해 출력전압의 양이 가변되면 부하(모터)의 출력형태는 rpm의 변화로 나타나고 이 rpm의 변화는 분동에 의해 진동력의 변화로 출력되어 진동력을 제어할 수 있으며, 상기 제2제어신호에 의해 상기 스위칭부(130)의 스위칭1군 및 스위칭2군이 서로 다르게 온/오프되어 출력전압이 걸리는 방향이 달라지면 이에 따라 모터의 회전방향이 정방향 또는 역방향으로 회전되어 모터의 회전 방향을 제어할 수 있게 된다.
즉, 상기의 구동회로는 솔레노이드형 리니어 모터를 구동하는 것만으로 한정되지 아니하고 다양한 종류의 부하들을 선택적으로 상기 구동회로에 연결하여 그 출력특성을 제어할 수 있는데 부하의 종류에 따라 가변전압원(110a)에 바로 연결하 거나, 가변전압원(110a)에 연결된 스위칭부(130)에 연결하여 구동할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 구동회로를 칩 패키지(Chip Package) 형태로 구현하는 경우를 설명한다.
먼저. 본 발명의 구동회로를 칩 패키지 형태로 구현하는 방법은 크게 상기 제어부, 가변전압원, 스위칭부를 동일 칩 패키지에 포함시켜 구현하거나, 상기 제어부는 별도의 칩 패키지로 구현하고 상기 가변전압원과 스위칭부를 동일 칩 패키지로 구성하여 구현할 수도 있으며, 상기 제어부, 가변전압원, 스위칭부를 각각 별도로 패키지화하여 구성할 수도 있다.
이 때 칩 패키지의 전기적 선의 연결 방법은 패키지 내부에서 연결이 이루어질 수도 있고, 분리하여 연결할 수도 있다.
본 발명의 구동회로를 동일한 패키지에 구현하거나 별도의 패키지로 구현하는 것은 본 발명을 적용시키고자 하는 제품의 특성에 맞추어 디자인하는 것이 바람직할 것이다.
상기에서 설명한 칩 패키지 구현 방법 중 상기 제어부는 별도의 패키지로 구현하고, 상기 가변전압원과 스위칭부를 동일 칩 패키지로 구현하는 방법에 대하여 설명한다.
도 9a 내지 도 10b는 본 발명에 따른 구동회로의 IC칩 구성도이다.
가변전압원과 스위칭부를 동일 칩 패키지로 구현하는 경우로서, 먼저 도 9a 및 도 9b와 같이 가변전압원과 스위칭부를 각각 한 개씩 구성하고, 핀 번호를 ⓛ∼ ⑨까지 구성하여, ①번 핀은 일정한 전원Vin과 연결하여 가변전압원에 전원이 인가될 수 있도록 하고, ③번 핀은 상기 제어부(120)와 연결하여 가변전압원에 제1제어신호를 입력받으며, ④번 핀은 상기 제어부(120)와 연결하여 스위칭부에 제2제어신호를 입력받고, ⑥번과 ⑦번 핀은 서로 연결하여 상기 가변전압원과 스위칭부가 연결되도록 하고, ⑧번과 ⑨번 핀은 부하(400b)에 연결하여 상기 스위칭부와 부하인 모터(400b)가 연결되도록 한다. 또한, ⑤번 핀은 도시되지 않았지만 출력전압의 방향을 변화시킬 필요가 없는 다른 부하(400a)를 연결할 수 있다.
다음은 두 개의 가변전압원과 스위칭부를 동일 칩 패키지로 구현하는 경우로, 도 10a 및 10b와 같이 핀번호를 ⓛ∼⑬까지 구성하여, ①번 핀은 일정한 전원Vin과 연결하여 가변전압원1과 가변전압원2에 전원이 인가될 수 있도록 하고, 이 때 상기 가변전압원1과 가변전압원2는 내부적으로 전기적 선이 연결되어 있다. ⑥번과 ⑦번 핀은 상기 제어부(120)와 연결하여 제1제어신호를 입력받으며, ②번과 ⑬번 핀은 서로 연결하여 상기 가변전압원1과 스위칭부가 연결되도록 하고, ③번 핀은 바로 부하1(400a)을 연결하여 가변전압원2에 부하가 연결되도록 하고, ⑨번과 ⑩번 핀은 부하2(400b)에 연결하여 스위칭부에 부하가 연결되도록 한다.
동일한 칩 패키지에 구현하고자 하는 가변전압원의 개수 및 스위칭부의 개수는 연결하고자 하는 부하의 종류,개수에 따라 달리 디자인할 수 있는 것으로, 상기의 실시예에 한정되지 않고 변형 실시가 가능하며, 또한 부하의 종류에 따라 부하를 스위칭부에 연결할 수도 있고, 바로 가변전압원에 연결하여 사용할 수도 있다. 이것은 적용할 제품의 특성에 따라서 다르게 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 솔레노이드형 리니어 모터는 상기의 실시예에서 설명한 광학 줌 및 오토 포커스용 카메라 모듈에만 적용이 한정되는 것이 아니라, 이는 예시적인 것에 불과하여 특허청구범위를 벗어나지 않는 범위내에서 일반적인 리니어 모터가 적용되는 진동 시스템, 산업용 리니어 모터, 일반용 리니어 모터등을 사용하는 다양한 제품에 적용할 수 있으며, 상기 솔레노이드형 리니어 모터를 구동하기 위한 구동회로 또한 상기 솔레노이드형 리니어 모터를 구동하는 것에만 한정되지 아니하고, 상기에 나열한 제어부의 다양한 신호 및 다양한 부하들을 선택적으로 연결하여 부하를 구동할 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위를 벗어나지 않는 범위내에서 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위내의 타실시가 가능하다 할 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 솔레노이드형 리니어 모터 및 그 구동회로는 구조 및 제어 기술이 간단하여 초소형. 중형, 대형 직선 왕복 이동 및 임의 위치 제어가 가능하고, 미소 위치제어 및 이동속도의 제어가 가능하여 낮은 제조 원가, 저 소비 전류, 높은 제품 신뢰성을 가질 수 있다. 또한, 제어기술 및 구조가 간단한 카메라 광학 줌/오토 포커스용 카메라 모듈의 제작이 가능하다.
또한, 제어부를 통해 입력되는 다양한 신호에 따라 가변전압원에서 전압의 양을 조절하고, 스위칭부를 통해 전압의 방향을 변화시킬 수 있어 상기 리니어 모 터 뿐만 아니라 다양한 부하들을 그 종류에 따라 출력특성을 조절할 수 있는 효과가 있고, 특히 진동모터에 적용할 경우에 인가되는 전압 또는 전류의 방향을 달리할 수 있어 진동방향을 정방향 또는 역방향으로 변화시킬 수 있고, 직선 왕복 이동과 전류량의 제어에 따른 진동속도 및 진동량의 변화가 가능하여 진동패턴을 다양하게 변화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (18)

  1. 이동 대상물을 장착하여 인가되는 전원에 의해 그 위치가 이동하는 구성체인 이동체와, 상기 이동체의 이동 기준이 되는 구성체인 고정체로 구성하되,
    상기 이동체는, 구동회로와 연결된 코일로 구성되어 인가되는 전원의 크기와 방향에 따라 자력과 자극이 가변되는 유도자석과, 위치별 자속밀도가 다른 영구자석의 상호작용에 의해 이동되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 리니어 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도자석과 상기 영구자석은 이동체와 고정체에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 리니어 모터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도자석과 상기 영구자석은 자력선 방향이 서로 수직, 수평 또는 각을 주는 형태 중 어느 하나가 되도록 배치함을 특징으로 하는 솔레노이드형 리니어 모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도자석이 위치하는 구성체에 구성하여, 상기 이동체의 이동 속도를 제어하고 상기 유도자석에 인가되는 전원이 끊어졌을 때 상기 영구자석에 달라붙는 결합력을 이용하여 상기 이동체의 위치를 유지할 수 있는 보자력을 지닌 금속으로 된 스토퍼를 하나 이상 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 리니어 모터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 영구자석은 평면형, 속이 빈 원기둥형, 속이 빈 삼각기둥형, 속이 빈 사각기둥형, 속이 빈 다각기둥형 중 어느 하나임을 특징으로 하는 솔레노이드형 리니어 모터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 영구자석은 하나의 몸체를 가지게 할 수 있거나 분리하여 1개 이상의 조각으로 나누어 배치하여 일체형으로 구성할 수 있는데, 위치에 따라 자속밀도를 다르게 배치하여 자속밀도가 순차적,연속적,급진적으로 중 어느 하나로 변화 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 리니어 모터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일을 1개 이상 구성하여, 상기 이동체가 상기 코일의 유효거리 내의 위치에 들어오면 그 위치에 해당하는 코일의 전원은 온하고, 인접한 코일의 전원은 오프하여 이동체가 다음 단계로 위치 이동할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 리니어 모터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유도자석에 인가하는 전원의 양을 가변시켜 상기 이동체의 이동속도를 제어하고, 전원의 방향을 변화시켜 상기 이동체의 이동 방향을 변경하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 리니어 모터.
  9. 제1제어신호 및 제2제어신호를 발생시키는 제어부와,
    입력되는 상기 제1제어신호의 값에 의해 출력전원이 온/오프되거나 그 크기가 가변되는 전원부와,
    상기 전원부의 출력단에 연결되어, 다수개의 스위치(SW1,SW2,SW3,SW4)가 브릿지 형태로 구성되고 상기 제어부에서 출력된 제2제어신호에 의해 상기 다수개의 스위치가 번갈아 온/오프하여 상기 출력전원의 방향을 변경하는 스위칭부로 구성되고,
    상기 전원부는 인가되는 가변전원값에 따라 그 출력특성이 제어되는 제1부하를 연결하고, 상기 스위칭부는 인가되는 가변전원값 및 방향에 의해 그 출력특성이 제어되는 제2부하를 연결하여 각 부하를 구동하고 그 출력특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 구동회로.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1부하는 저항류, 트랜지스터류, FET류, 다이오드류, 이들의 조합회 로, 이미지센서류, LED, LCD, 유기 또는 무기EL, DC-DC컨버터 중 어느 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 구동회로.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2부하는 코일류, 전압제어모터류, DC모터류, 리니어모터류, 진동모터류 중 어느 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 구동회로.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부은 전압 또는 전류로 표현될 수 있는 모든 전기적 변경 신호로서 PAM, PWM, PDM, 사운드, DAC, GPIO 신호 중 어느 하나를 제1제어신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 구동회로.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부의 제1제어신호 출력단과 전원부 사이에 로우패스필터(LPF)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 구동회로.
  14. 제 9 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 제2제어신호에 따라 상기 브릿지회로를 제어하기 위한 제어입력단을 구비하고, 상기 제어입력단에 의해 상기 스위치가 스위칭1군(SW1,SW4)과 스위칭2군(SW2,SW3)으로 서로 다르게 스위칭되도록 하여 상기 제2부 하에 걸리는 출력전원의 방향을 바꿀 수 있는 것을 특징으로 하는 구동회로.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 전원부는 전류원 또는 가변전압원 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 구동회로.
  16. 제 9 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 가변전압원은 비반전입력단자(+)가 상기 제어부와 연결되어 제1제어신호를 입력받고 반전입력단자(-)가 직렬로 연결된 저항1(R1)과 저항2(R2)사이에 연결되어 있는 증폭기와, 상기 증폭기의 출력단자와 베이스단이 연결되고, 콜렉터단에는 일정한 입력전원(Vin)이 인가되며, 이미터단은 상기 저항1(R1)의 일측과 연결되어 있는 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 구동회로.
  17. 제어부, 가변전압원, 스위칭부로 구성되어 부하를 구동하기 위한 구동회로에 있어서,
    상기 제어부, 가변전압원, 스위칭부를 각각 별도의 칩 패키지로 구현하거나,
    상기 가변전압원과 상기 스위칭부를 동일한 칩 패키지로 구현하고 상기 제어부을 별도의 패키지로 구현하거나,
    상기 제어부, 가변전압원, 스위칭부를 동일한 칩 패키지로 구현하는 것 중 어느 하나로 구현하는 것을 특징으로 하는 구동회로.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 칩 패키지는 상기 가변전압원을 하나 이상 구성하거나 상기 스위칭부를 하나 이상 구성하여 구현하는 것을 특징으로 하는 구동회로.
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