KR20170006126A - 병렬 다선식 ｐｃｂ형 회전 코일 및 상기 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 병렬 다선식 PCB형 회전 코일 및 상기 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 회전 가진기에 사용되는 회전 코일을 PCB 기판 상에 전자 인쇄 기법에 의하여 형성되는 패턴 형태로 제작되게 하되, 상기 회전 코일용 패턴이 병렬 연결되는 다선으로 형성되게 함으로써, 기존에 비하여 인가해야 하는 전압의 크기를 훨씬 줄이면서도 동일한 회전력을 얻을 수 있게 하는, 병렬 다선식 PCB형 회전 코일 및 상기 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법을 제공함에 있다.

Description

병렬 다선식 ＰＣＢ형 회전 코일 및 상기 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법 {Parallel, multi-line connected and PCB-typed rotation coils and their impedance matching methods}

본 발명은 병렬 다선식 PCB형 회전 코일 및 상기 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 회전 진동 가진기에 구비되어 실질적인 회전을 발생시키는 주요 부품인 회전 코일과, 이러한 회전 코일의 임피던스를 효과적으로 조절하는 방법에 관한 것이다.

회전 진동이란 반복되는 진동 진폭과 주기를 갖는 회전 운동을 말하는 것으로, 이러한 회전 진동을 측정하기 위한 센서로 회전 가속도계(angular accelerometers), 회전 속도 센서들(angular rate sensors), 회전 변위를 직접 측정하는 회전 엔코더(angular encoder) 등이 사용되고 있다. 이들 회전 진동 센서들은 단위 회전 진동에 대한 전기적인 출력 신호와의 비로 정의 되는 전기적인 감도를 정의해야 한다. 상기 회전 진동에 대한 센서의 전기적 감도 측정 절차를 진동 센서의 교정이라 하며, 회전 진동 센서의 감도 교정에는 회전 진동을 발생하는 장치가 필요한데, 이러한 회전 진동을 발생하는 장치를 회전 진동 가진기(angular vibration exciter)라 한다.

도 1은 일반적인 회전 진동 가진기의 회전력(torque) 발생을 위한 전자기적인 구성도로, 회전 코일(2)의 하부에 설치된 영구 자석(1)에 의하여 회전 코일(2)에 직교하는 방향으로 자기장이 형성되어 있는 상태에서 영구 자석(1) 위에 설치된 회전 코일(2)에 전류(i)를 공급하면, 자기장 내의 회전 코일(2)이 전자기력에 의한 회전력을 받음으로써 회전 코일이 회전하게 되는 구조이다. 도 2는 종래 기술에 의해 제조된 회전 코일을 도시한 도면으로, 회전판(3)과, 이 회전판(3)의 반경 방향으로 전류를 인가하도록 하는 코일(4)과, 이 코일(4)들을 각각 연결하는 전선(5)과 외부로부터의 전류를 코일(4)에 인가하는 전류 공급용 전선(6)으로 구성된다.

도 1, 2에 도시된 바와 같은 종래의 회전 코일을 제작함에 있어서, 코일의 크기와 무게가 모두 동일하지 않을 경우 회전 코일의 불균형 질량에 의한 힘의 불균형이 발생하여 회전 가진기의 성능이 떨어지게 되는 문제가 있다. 따라서 각 코일들의 크기가 정확히 동일하게 제작되어야 하며, 또한 조립 시에도 정확하게 정위치에 배치되어야 한다. 그런데 종래에는 이러한 코일의 제작이 수작업으로 이루어졌기 때문에 형상 오차가 크게 발생하거나, 또는 기계적으로 제작이 이루어짐으로써 코일 크기가 동일하게 형성되어도 조립 시 반경 방향의 코일 조립에 따른 미소 위치 차이에 의한 불균형 질량이 발생하는 등의 문제가 있었다. 즉, 기존의 수작업에 의한 코일 제작 및 조립은 회전 가진기 자체의 성능을 크게 저하시키는 직접적인 원인이 되었다.

이러한 문제를 극복하기 위하여, 본 출원인에 의하여 출원되어 특허 등록된 한국특허등록 제0780915호("다층 피씨비 제작 공법을 이용한 회전 가진기용 회전 코일 제조 방법", 이하 선행문헌 1)에서는, 인쇄 회로 기판 상에 코일을 형성하고 이 인쇄 회로 기판을 다층으로 적층시킴으로써 코일을 형성하는, 새로운 회전 코일 제조 방법을 제시한 바 있다. 상기 선행문헌 1의 제작 방법에 의하면, 각 코일은 전자 인쇄 기법으로 만들어지기 때문에 기존의 방법에 비해 정확성이 비약적으로 향상되어 형상 오차를 거의 제거할 수 있으며, 또한 이러한 인쇄 회로 기판들을 다층 적층시키는 조립 방식에 따라 조립 오차 역시 기존과는 비교할 수 없을 만큼 저감시킬 수 있어, 앞서 설명한 불균형 질량 발생 문제를 거의 완벽하게 해소할 수 있는 큰 효과가 있었다. 뿐만 아니라 상기 선행문헌 1에 의하면, 코일이 형성된 PCB 기판을 적층하여 회전 코일을 구성하기 때문에, PCB 기판 적층 개수를 조절함으로써 코일의 감은 수를 조절할 수 있고, 나아가 이를 통해 회전력의 조절 역시 용이하게 할 수 있다. 또한 제작 정밀도의 향상에 따라 궁극적으로는 다수의 회전 코일들의 저항 값, 인덕턴스 값 등과 같은 전기적 특성치를 매우 균일하게 유지 및 관리할 수 있는 장점도 있다.

더불어, 본 출원인에 의해 출원된 한국특허등록 제1052336호("회전 진동 가진기", 이하 선행문헌 2)에서는, 선행문헌 1과 같은 방식으로 제조된 PCB 기판 적층형 회전 코일에 있어서, 기존에는 케이블 형태로 형성되던 외부 전류 공급선까지 연성 PCB로 대체하는 기술이 개시된다. 선행문헌 2에 의하면, 비틀림 특성이 개선되고 외부 진동 전달 영향이 제거됨으로써, 궁극적으로는 회전 진동의 제어가 더욱 정확하고 정교하게 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이 선행문헌 1, 2에 의하여 제조된 회전 코일은 형상 오차 및 조립 오차의 비약적인 저감을 통해, 회전 가진기의 성능을 저하시키는 불균형 질량 등의 문제들을 해소하여, 회전 가진기 성능을 크게 향상시켜 줄 뿐 아니라 정밀한 회전력의 조절 등도 가능하게 해 주는 뛰어난 장점들을 많이 가진다. 그런데, 선행문헌 1, 2에 의하여 제조된 회전 코일에도 다음과 같은 한계가 일부 남아 있다.

도 3은 선행문헌 1, 2에 의하여 제조된 회전 코일용 패턴의 한 예시이다. 도 3에 도시된 바와 같이 기존의 회전 코일용 패턴(10')은, 전류 입력 단자(11')에서부터 연결 관통 홀(12')까지 단일 개의 도선으로 연결되는 형태로 이루어지며, 연결 관통 홀(12')과 전류 귀환 단자(13')가 전기적으로 연결됨으로써, 최종적으로 전류 입력 단자(11')로 입력된 전류가 전류 귀환 단자(13')로 출력되도록 이루어진다.

도 1, 2를 통해 설명한 바와 같이 영구 자석에 의해 형성된 자기장 내에 놓인 코일에 전류가 흐름에 따라 회전력이 발생하게 되며, 이 회전력은 회전 코일의 감은 횟수(즉 선행문헌 1, 2에 의한 회전 코일용 패턴 기판을 사용할 경우 기판당 형성된 코일 개수 x 기판 적층 개수), 코일에 흐르는 전류 크기, 영구 자석의 자기장 크기, 영구 자석의 자기장을 지나는 코일의 유효 길이에 비례한다. 한편 코일에 흐르는 전류는 코일에 인가되는 전압에 비례하고, 최전 코일의 임피던스에 반비례한다. 기존의 회전 코일용 패턴(10')의 경우, 코일을 이루는 패턴이 단선으로 이루어져 있기 때문에, 코일의 저항은 패턴선의 수에 비례하게 된다. 이러한 점을 고려할 때, 다수 개의 기판을 적층하여 회전 코일을 형성할 경우 코일 저항이 상당히 커지게 되며, 따라서 소정 크기의 회전력을 발생시키기 위한 전류를 인가하기 위해서는(전류 = 전압 / 임피던스 관계에 따라) 적층되는 기판 개수가 늘어낢에 따라 인가하는 전압의 크기가 커져야 한다.

뿐만 아니라, 기존의 회전 코일용 패턴(10')의 경우 영구 자석의 자기장을 지나는 코일 부분을 제외한 부분이 차지하는 면적이 상당히 넓어지는데, 이는 회전 코일의 직경을 증가시키는 원인이 된다. 뿐만 아니라 회전 코일용 패턴(10')이 형성된 기판을 다수 적층함으로써 회전 코일 자체의 두께도 증가한다. 즉 기존의 회전 코일용 패턴(10')의 형상적 특징은, 회전 가진기의 소형화에 한계를 주는 원인이 되는 것이다.

1. 한국특허등록 제0780915호("다층 피씨비 제작 공법을 이용한 회전 가진기용 회전 코일제조 방법") 2. 한국특허등록 제1052336호("회전 진동 가진기")

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 회전 가진기에 사용되는 회전 코일을 PCB 기판 상에 전자 인쇄 기법에 의하여 형성되는 패턴 형태로 제작되게 하되, 상기 회전 코일용 패턴이 병렬 연결되는 다선으로 형성되게 함으로써, 기존에 비하여 인가해야 하는 전압의 크기를 훨씬 줄이면서도 동일한 회전력을 얻을 수 있게 하는, 병렬 다선식 PCB형 회전 코일 및 상기 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법을 제공함에 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 회전 코일의 직경 및 두께를 줄임으로써 회전 가진기의 소형화를 이룩하고 더욱 효율적인 구동을 가능하게 하는, 병렬 다선식 PCB형 회전 코일 및 상기 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법을 제공함에 있다.

더불어 본 발명의 또다른 목적은, 병렬 다선식으로 형성된 회전 코일용 패턴들을 다양한 방식으로 연결함으로써 용이하게 임피던스를 변경 설정할 수 있게 하는, 병렬 다선식 PCB형 회전 코일 및 상기 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 병렬 다선식 PCB형 회전 코일은, 영구 자석 위에 배치되며 외부로부터 전류가 인가되어 전자기력에 의해 회전 운동하도록 이루어지는 회전 가진기용 회전 코일(100)에 있어서,

PCB 기판(120); 및 상기 기판(120) 상에 인쇄 회로 패턴 형태로 형성되며, 상기 기판(120) 상에 서로 마주보게 배치되는 적어도 한 쌍 이상의 회전 코일용 패턴(110); 을 포함하여 이루어지되, 상기 회전 코일용 패턴(110)은

상기 영구 자석의 자장 내에 배치되며 서로 나란하게 연장되어 병렬 배치되는 다수 개의 유효도선(111a)들로 이루어지는 다수 개의 유효도선부(111), 상기 영구 자석의 자장 외에 배치되며 스파이럴(spiral) 형상을 이루도록 상기 유효도선부(111)들의 끝단들을 연결하는 다수 개의 연결도선부(112), 상기 유효도선부(111)들 및 상기 연결도선부(112)들에 의하여 이루어진 상기 스파이럴 형상의 일측 끝단과 연결되어 전류가 인가되는 전류 입력 단자(113), 상기 스파이럴 형상의 타측 끝단과 연결되며 상기 기판(120)을 관통하여 형성되는 전류 연결 단자(114), 상기 전류 연결 단자(114)과 연결되어 전류가 귀환되는 전류 귀환 단자(115)를 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 연결도선부(112)의 폭은 상기 유효도선부(111)의 폭보다 좁게 형성될 수 있다.

또한, 상기 회전 코일용 패턴(110) 하나당 상기 유효도선부(111)는 적어도 한 쌍 이상의 다수 쌍이 포함되되, 각 쌍의 상기 유효도선부(111)들은 상기 회전 코일용 패턴(110)의 중심선을 중심으로 선대칭을 이루며 배치될 수 있다.

또한, 상기 유효도선부(111)들 및 상기 연결도선부(112)들에 의하여 이루어진 상기 스파이럴 형상의 외곽선은 부채꼴 형상을 이룰 수 있다.

또한, 상기 기판(120) 상에 서로 마주보게 배치되는 적어도 두 쌍 이상의 회전 코일용 패턴(110)이 포함되되, 상기 회전 코일용 패턴(110)들의 각 쌍은 방사상으로 등간격 이격 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 병렬 다선식 PCB형 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법은, 상술한 바와 같이 이루어지는 회전 코일(100)의 임피던스를 조절하기 위한 설계 방법으로서, 상기 기판(120) 상에 적어도 한 쌍 이상의 상기 회전 코일용 패턴(110)이 서로 마주보게 배치되는, 패턴 배치 단계; 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 각각의 상기 전류 입력 단자(113)들 및 상기 전류 귀환 단자(115)들의 연결 관계가 조절됨으로써 상기 회전 코일(100) 전체 임피던스가 조절되는, 패턴 연결 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때 상기 패턴 연결 단계는, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 하나가 시작 패턴으로, 상기 시작 패턴에 최근접한 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 다른 하나가 귀환 패턴으로 선택되는 단계; 시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결되어, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직렬 연결 관계를 형성하는 단계; 상기 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)에 전류 입력용 외부 도선이 연결되고, 상기 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또는 상기 패턴 연결 단계는, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 하나가 시작 패턴으로, 상기 시작 패턴에 최근접한 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 다른 하나가 귀환 패턴으로 선택되는 단계; 시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결되고, 시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115)가 서로 연결되어, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 병렬 연결 관계를 형성하는 단계; 상기 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)에 전류 입력용 외부 도선이 연결되고, 상기 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또는 상기 패턴 연결 단계는, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 서로 최측근 배치된 일부 패턴들의 세트들로 그룹핑되는 단계; 다수 개의 상기 세트들 중 하나가 시작 세트로, 상기 시작 세트에 최근접한 상기 세트들 중 다른 하나가 귀환 세트로 선택되는 단계; 각 세트에 대하여, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 하나가 시작 패턴으로, 상기 시작 패턴에 최근접한 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 다른 하나가 귀환 패턴으로 선택되는 단계; 각 세트에 대하여, 시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결되어, 각 세트에 대하여, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직렬 연결 관계를 형성하는 단계; 시작 세트로부터 귀환 세트까지 순차적으로, 하나의 세트의 시작 패턴의 전류 입력 단자(113) 및 최측근 배치된 다른 하나의 세트의 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결되고, 시작 세트로부터 귀환 세트까지 순차적으로, 하나의 세트의 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 세트의 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)가 서로 연결되어, 다수 개의 상기 세트들이 병렬 연결 관계를 형성하는 단계; 상기 시작 세트의 상기 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)에 전류 입력용 외부 도선이 연결되고, 상기 귀환 세트의 상기 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결되어, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직병렬 혼합 연결 관계를 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 먼저 기본적으로는, 회전 가진기에 사용되는 회전 코일을 PCB 기판 상에 전자 인쇄 기법에 의하여 형성되는 패턴 형태로 제작함으로써, 종래의 수작업에 의해 제작되던 회전 코일에 비하여 비약적으로 높은 형상적 정확성을 획득하여, 형상 오차 또는 조립 오차에 의하여 발생되던 불균형 질량에 의한 회전 가진기의 성능 저하 문제를 해결하는 효과가 있다.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 기존의 회전 코일용 패턴의 경우 단선으로 형성되도록 하였던 것과는 달리, 다선의 패턴이 병렬 연결된 형태로 이루어짐으로써, 기존의 단선 적층식 패턴을 이용한 회전 코일에 비해 다음과 같은 다양한 장점을 가진다.

먼저, 본 발명에 의하면 회전 코일용 패턴에서 영구 자석의 자기장 범위 내에 배치됨으로써 실질적인 회전력을 발생시키는 부분 외의 면적을 기존 패턴에 비해 훨씬 줄일 수 있다. 이에 따라 본 발명에 의하면, (기존의 패턴 이용 회전 코일에 의해 얻어지던 회전력을 기준으로) 동일 회전력을 얻기 위해 필요한 패턴의 면적을 줄일 수 있으며, 이는 저항을 직접적으로 저감할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 궁극적으로는 동일 회전력을 얻기 위해 인가해야 하는 전압의 크기를 기존보다 훨씬 저감할 수 있는 큰 효과가 있는 것이다. 또한 이와 같이 불필요한 부분의 패턴 면적을 줄임으로써 회전 코일의 직경 또한 줄일 수 있는데, 이에 따라 회전 관성 모멘트를 줄여 회전 각가속도를 향상할 수 있는 효과 또한 있다.

또한 본 발명에 의하면 다선의 패턴이 단일 면 상에서 병렬 연결되는 구성으로서 기존의 단선 패턴에서 다수 층을 적층해야 얻을 수 있는 회전력을 얻을 수 있어, 즉 기존에 비해 회전 코일의 두께를 훨씬 줄일 수 있는 장점이 있다. 회전 코일의 두께가 증가할수록 최외측 회전 코일은 영구 자석으로부터의 거리가 멀어지며, 즉 최외측 회전 코일로 갈수록 영구 자석에 의한 자장 세기가 약해지게 되어 회전력 발생 효율이 떨어진다. 그러나 본 발명에 의하면 패턴을 다수 적층할 필요가 없게 하고 회전 코일의 두께를 줄임으로써 이러한 효율 저하 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 큰 효과가 있다.

또한 상술한 바와 같이 회전 코일의 직경 및 두께를 줄임으로써, 회전 가진기의 효율을 향상시키는 효과 뿐만 아니라, 기존에 비해 회전 가진기를 더욱 소형화할 수 있다는 효과 또한 얻을 수 있다.

더불어 본 발명에 의하면, 다선의 패턴이 병렬 연결된 형태로 이루어지되, 패턴들 간의 연결을 다양하게 변경할 수 있으며, 이를 통해 코일 전체의 임피던스를 다양하게 변경 설정할 수 있는 효과가 있다. 기존에는 임피던스 조절을 위해서는 층수를 변경할 수밖에 없었으나, 본 발명에 의하면 패턴 간 연결 방식만을 변경함으로써 다양한 임피던스 값을 얻을 수 있어, 궁극적으로는 회전 가진기의 임피던스 조절, 나아가서는 회전력 조절을 기존에 비해 훨씬 용이하고 효율적으로 할 수 있게 된다는 큰 장점이 있는 것이다.

도 1은 일반적인 회전 진동 가진기의 회전력 발생을 위한 전자기적 구성도.
도 2는 종래 수작업 방식으로 제조된 회전 코일.
도 3은 기존의 단선식 PCB형 회전 코일용 패턴의 실시예.
도 4는 본 발명의 병렬 다선식 PCB형 회전 코일용 패턴의 실시예.
도 5는 본 발명의 병렬 다선식 PCB형 회전 코일의 실시예.
도 6 및 7은 본 발명의 병렬 다선식 PCB형 회전 코일용 패턴의 여러 다른 실시예.
도 8 내지 10은 본 발명의 병렬 다선식 PCB형 회전 코일용 패턴 연결 관계의 여러 다른 실시예.
도 11은 기존의 단선식 패턴 및 본 발명의 병렬 다선식 패턴 비교.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 병렬 다선식 PCB형 회전 코일 및 상기 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

[1] 본 발명의 회전 코일 및 회전 코일용 패턴

도 4는 본 발명의 병렬 다선식 PCB형 회전 코일용 패턴의 실시예를, 도 5는 본 발명의 병렬 다선식 PCB형 회전 코일의 실시예를 각각 도시하고 있다. 먼저 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 병렬 다선식 PCB형 회전 코일(100)은, 영구 자석 위에 배치되며 외부로부터 전류가 인가되어 전자기력에 의해 회전 운동하도록 이루어지는 회전 가진기용 회전 코일(100)로서, 기본적으로 PCB 기판(120) 및 상기 기판(120) 상에 형성되는 다수 개의 회전 코일용 패턴(110)들을 포함하여 이루어진다. 이 때 상기 회전 코일용 패턴(110)은 상기 기판(120) 상에 인쇄 회로 패턴 형태로 형성되되, 적어도 한 쌍 이상의 상기 회전 코일용 패턴(110)이 상기 기판(120) 상에 서로 마주보게 배치된다.

상기 회전 코일용 패턴(110)이 서로 마주보는 쌍을 이루도록 배치되는 이유는 다음과 같다. 앞서 설명한 바와 같이 회전 가진기용 회전 코일은 궁극적으로 회전력을 발생시키기 위한 것이다. 이 때 회전 코일용 패턴들이 불균형하게 배치되어 있다면 회전 중 회전 코일이 비틀리거나 불필요한 진동이 발생하는 등의 성능 저하가 발생하게 된다. 따라서 회전 코일용 패턴은 반드시 형상적으로 균형을 이루도록 배치되어야 하며, 가장 용이하게는 회전 코일용 패턴들이 서로 마주보게 대칭되도록 배치되는 쌍을 이루도록 하되, 이러한 쌍들이 단일 개 있을 수도 있고, 다수 개일 경우 방사상 및 등간격으로 배치되도록 하면 된다. 즉 상기 회전 코일용 패턴(110)에 상기 기판(120) 상에 서로 마주보게 배치되는 적어도 두 쌍 이상의 회전 코일용 패턴(110)이 포함될 경우, 상기 회전 코일용 패턴(110)들의 각 쌍은 방사상으로 등간격 이격 배치되도록 하는 것이다. 이러한 형상적 특성에 대하여는, 앞서 언급한 (본 출원인에 의해 출원된) 선행문헌 1, 2에도 상세히 설명되어 있다.

간략히 상기 회전 코일용 패턴(110)에서 발생되는 회전과 관련된 여러 변수들 간의 관계를 요약 기재하면 다음과 같다. 하기의 식들은 모두 기초적인 물리 상식에 해당하는 것으로서 상세한 설명은 생략한다.

먼저 회전 코일을 회전하게 하는 직접적인 힘은 로렌츠 힘(Lorentz force)으로서, 자장 세기를 B, 자장 내에 놓인 도선(유효도선)의 전체 길이를 L, 도선에 인가된 전류를 I라 할 때, 상기 도선이 받는 힘 F는 다음의 식으로 나타난다.

F = I x L x B

이 때 토크 T는 다음의 식으로 나타날 수 있다. 여기에서 Rm은 영구 자석의 내경 Ri와 외경 Ro의 평균, 즉 (Ri + Ro)/2 값이다.

T = Rm x F

또한 회전 코일에 인가되는 전류 I와, 인가 전압 V, 회전 코일의 임피던스 Z 간의 관계는 다음과 같다. (회전 코일의 저항 성분을 R, 인덕턴스를 H, j를 복소수, ω = 2πf, f를 인가 전류의 주파수라 할 때 Z = R + jωH)

I = V / Z

본 발명에서는, 상기 회전 코일용 패턴(110)의 형상을 개선하여 기존보다 더욱 회전 코일의 성능을 향상하고자 한다. 이에 도 4를 참조하여 본 발명의 회전 코일용 패턴(110)의 형상을 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명의 회전 코일용 패턴(110)은, 유효도선부(111), 연결도선부(112), 전류 입력 단자(113), 전류 연결 단자(114), 전류 귀환 단자(115)를 포함하여 이루어진다.

상기 유효도선부(111)는, 도시된 바와 같이 상기 영구 자석의 자장 내에 배치되며 서로 나란하게 연장되어 병렬 배치되는 다수 개의 유효도선(111a)들로 이루어진다. 선행문헌 1, 2에 개시된 바와 같은 회전 코일용 패턴의 경우 이러한 유효 도선이 단선으로 이루어졌으나, 본 발명에서는 도시된 바와 다수 개의 유효도선(111a)들이 병렬 배치되어, 즉 다선 병렬 형태로 형성되는 유효도선부(111)를 이루게 된다. 상기 유효도선부(111)는 상술한 바와 같이 상기 영구 자석의 자장 내에 배치됨으로써, 전류가 인가되면 상기 영구 자석의 자장과의 상호 작용에 의해 발생되는 전자기력에 의하여 상기 유효도선부(111)가 움직여서 상기 회전 코일(100)의 회전을 유발시킨다. 또한, 상기 유효도선부(111)는 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110) 내에 다수 개 포함될 수 있다.

상기 연결도선부(112)는 상기 영구 자석의 자장 외에 배치되는 부분이다. 즉 실질적으로 상기 연결도선부(112)는 전자기력 및 회전 발생에 직접적인 역할은 하지 않는 부분이나, 상기 유효도선부(111)에 전류를 원활하게 인가하기 위해서 반드시 필요한 부분이다. 상기 유효도선부(111)가 다수 개이므로 물론 상기 연결도선부(112) 역시 다수 개일 수 있으며, 특히 상기 연결도선부(112)는 스파이럴(spiral) 형상을 이루도록 상기 유효도선부(111)들의 끝단들을 연결하도록 이루어진다.

상기 전류 입력 단자(113)는, 상기 유효도선부(111)들 및 상기 연결도선부(112)들에 의하여 이루어진 상기 스파이럴 형상의 일측 끝단과 연결되어 전류가 인가되는 부분이다. 또한 상기 전류 연결 단자(114)는, 상기 스파이럴 형상의 타측 끝단과 연결되며 상기 기판(120)을 관통하여 형성되는 부분이다. 마지막으로 상기 전류 귀환 단자(115)는, 상기 전류 연결 단자(114)과 연결되어 전류가 귀환되는 부분이다. 상기 유효도선부(111)들 및 상기 연결도선부(112)들만으로 전자기력에 의한 회전을 발생시킬 수 있는 패턴 형상은 완성되지만, 여기에 전류를 인가하기 위해서는 시작단 및 종료단이 외부 또는 다른 패턴과의 연결이 가능하게 이루어져야 한다. 이 때 패턴이 스파이럴 형상을 이루고 있기 때문에, 시작단이 외측에 있으면 종료단은 내측에 있게 되며, 이 경우 외부 또는 다른 패턴과의 연결이 용이하지 않을 수 있다. 이러한 문제를 해소하기 위하여 본 발명에서는, 일단 상기 전류 입력 단자(113) 및 상기 전류 귀환 단자(115)는 스파이럴 패턴과 함께 상기 기판(120) 상면에 존재하도록 배치한다. 그러면 상기 전류 입력 단자(113)는 도시된 바와 같이 스파이럴 패턴 외측에 배치됨으로써 상기 기판(120) 상면 상에서 스파이럴 패턴 시작단에 용이하게 직접 연결되는 반면, 상기 전류 귀환 단자(115)가 스파이럴 패턴 외측에 배치되면 상기 기판(120) 상면 상에서는 스파이럴 패턴과 연결되지 못하게 된다. 한편 상기 전류 연결 단자(114)는 스파이럴 패턴 내측에 배치됨으로써 상기 기판(120) 상면 상에서 스파이럴 패턴 종료단에 용이하게 직접 연결된다. 이 때, 상기 전류 연결 단자(114)가 상기 기판(120)의 하면을 통해 상기 전류 귀환 단자(115)와 전기적으로 연결되게 한다. 이렇게 함으로써 상기 전류 입력 단자(113) - 스파이럴 패턴의 시작단 - 스파이럴 패턴 - 스파이럴 패턴의 종료단 - 상기 전류 귀환 단자(114) - (기판 하면을 통해) 상기 전류 귀환 단자(114)까지의 전기적 연결이 자연스럽게 이루어지며, 따라서 상기 전류 입력 단자(113) 및 상기 전류 귀환 단자(114)에 외부 도선을 연결함으로써 스파이럴 패턴 부분에 원활하게 전류가 흐르도록 할 수 있다.

도 4에 도시된 상기 회전 코일용 패턴(110)의 형상은 하나의 실시예일 뿐으로, 상기 회전 코일용 패턴(110)은 필요에 따라 보다 다양한 형상들로 이루어질 수 있다. 도 6 및 7은 상기 회전 코일용 패턴(110)의 여러 다른 실시예들을 도시하고 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 회전 코일용 패턴(110)은

■ 병렬 배치된 다수 개의 유효도선(111a)들로 이루어지는 유효도선부(111)

■ 유효도선부(111)들의 끝단들을 연결하는 연결도선부(112)

들을 포함하여 이루어진다. 이 때 상기 유효도선부(111)는, 상기 회전 코일용 패턴(110) 하나당 적어도 한 쌍 이상의 다수 쌍이 포함되되, 각 쌍의 상기 유효도선부(111)들은 상기 회전 코일용 패턴(110)의 중심선을 중심으로 선대칭을 이루며 배치되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 유효도선부(111)들이 반드시 쌍을 이루며 또한 각 쌍의 유효도선부(111)들이 서로 선대칭을 이루도록 하는 이유는, 앞서 패턴들을 대칭되게 쌍으로 배치하는 것이 바람직한 이유의 원리 설명에서와 마찬가지 맥락으로, 질량 불균형 발생 및 이에 따른 비틀림, 노이즈 발생 등의 방지를 위해서이다.

도 6은, 상기 회전 코일용 패턴(110)이 상기 유효도선부(111) 1쌍을 포함하여 이루어지는 경우를 도시하고 있다. 도 6의 예시에서, 각각의 유효도선부(111)는 각각 5개씩의 유효도선(111a)들로 이루어지는 것으로 도시되는데, 물론 상기 유효도선(111a)의 개수는 다양하게 달라질 수 있다. 도 6의 경우 상기 유효도선부(111)는 단 1쌍 뿐이므로, 도 6을 기준으로 상기 연결도선부(112)는 상기 유효도선부(111)들의 아래쪽 끝단들을 서로 연결하는 것으로서 1개만 존재하면 된다.

도 7은, 상기 회전 코일용 패턴(110)이 상기 유효도선부(111) 2쌍을 포함하여 이루어지는 경우를 도시하고 있다. 이 경우에는 상기 유효도선부(111)가 좌우 각각 2개씩 4개가 배치되며, 따라서 상기 연결도선부(112)는 (유효도선부 개수 - 1)만큼의 개수인 3개가 존재하면 된다. 즉, 도 7을 기준으로 상기 연결도선부(112)는, 외측 좌우의 유효도선부(111)들의 아래쪽 끝단들을 서로 연결하는 것(아래쪽 외측), 내측 좌우의 유효도선부(111)들의 아래쪽 끝단들을 서로 연결하는 것(아래쪽 내측), 우측에 배치된 2개의 유효도선부(111)들 중 외측 유효도선부(111) 및 좌측에 배치된 2개의 유효도선부(111)들 중 내측 유효도선부(111)의 위쪽 끝단들을 서로 연결하는 것(위쪽), 이렇게 3개가 배치된다. 상기 유효도선부(111)들 및 상기 연결도선부(112)들이 이렇게 연결됨으로써, 기판(120) 상면 상에서 전력 입력 단자(113)에서 시작되어 전력 연결 단자(114)에서 종료하는 스파이럴 형상이 이루어진다.

회전 시 질량 불균형 등의 문제를 최소화하기 위해서는, 영구 자석 위에서 회전하는 기판(120)은 도 5에 도시된 바와 같이 일반적으로 원형으로 형성된다. 이 때 상기 회전 코일용 패턴(110)은 상기 기판(120) 상에 형성되는 것인 바, 상기 회전 코일용 패턴(110)의 외곽선, 보다 명확하게는, 상기 유효도선부(111)들 및 상기 연결도선부(112)들에 의하여 이루어진 상기 스파이럴 형상의 외곽선은 부채꼴 형상을 이루도록 하는 것이 바람직하다.

도 6의 실시예는 유효도선부가 1쌍(2개) / 연결도선부가 1개인 실시예이며, 도 7의 실시예는 유효도선부가 2쌍(4개) / 연결도선부가 3개인 실시예이고, 도 4 및 5에 나타난 실시예는 유효도선부가 4쌍(8개) / 연결도선부가 7개인 실시예이다. 이처럼 유효도선부 / 연결도선부의 개수는 다양하게 달라질 수 있으며, 이는 회전 코일에서 얻고자 하는 회전력, 회전 각가속도 등의 다양한 조건에 따라 적절하게 결정될 수 있다.

이 때 도 4 내지 7에서 공통적으로 나타나듯이, 상기 연결도선부(112)의 폭은 상기 유효도선부(111)의 폭보다 좁게 형성되는 것이 바람직하다. 도 6에서 보이는 바와 같이, 상기 연결도선부(112)는 상기 유효도선(111a) 하나하나에 비해서는 그 폭이 넓지만, 상기 유효도선(111a)들의 병렬 배치로 이루어지는 상기 유효도선부(111) 전체에 비해서는 그 폭이 좁다. 한편 도 3에 도시된 기존의 패턴, 즉 단선으로 된 패턴의 경우, 영구 자석의 자장 범위 내에 배치되는 부분이 상기 유효도선부(111)에 해당한다고 하고, 영구 자석의 자장 범위 외에 배치되는 부분이 상기 연결도선부(112)에 해당한다고 할 때, 기존의 패턴에서는 1개의 도선이 그대로 이어져 나가 스파이럴 형상을 이루고 있을 뿐이기 때문에, 유효도선부에 해당하는 부분과 연결도선부에 해당하는 부분의 폭이 거의 동일하거나, 또는 연결도선부에 해당하는 부분의 폭이 오히려 커지게 된다.

연결도선부에 해당하는 부분은 영구 자석의 자장 범위 외에 배치되므로 실질적으로 전자기력 발생에는 아무런 기여를 하지 않는 부분이며, 단지 유효도선부에 해당하는 부분에 전류를 통하게 해 주는 역할을 할 뿐이다. 연결도선부에 해당하는 부분의 폭이 커지는 만큼 회전 코일 자체의 반경도 커지는데, 회전 코일의 반경이 커짐에 따라 회전 코일 자체의 회전 관성 모멘트가 커진다. 회전 코일의 회전 관성 모멘트를 줄일수록 적은 힘으로도 빠른 각가속도를 얻을 수 있어 회전 코일의 효율이 향상된다. 따라서 이처럼 실질적으로 회전력 발생과는 큰 관련성이 없는 부분(연결도선부에 해당하는 부분) 때문에 회전 관성 모멘트가 커진다는 것, 즉 회전 코일의 효율을 저하시킨다는 것은 마땅히 개선되어야 한다.

이 때, 앞서 설명한 바와 같이 도 3에 나타난 바와 같은 기존의 패턴의 경우 단선으로 되어 있기 때문에, 그 형상적 제한으로 인하여 연결도선부에 해당하는 부분의 폭을 줄이는 데 한계가 있었다. 이에 따라 기존의 단선형 패턴에서는 회전 코일의 반경, 나아가 회전 관성 모멘트를 줄이는데 한계가 있었으며, 즉 어떤 회전 각가속도를 얻기 위해 인가해야 하는 전력 양이 늘어나 회전 진동 가진기의 효율을 저하시키는 문제가 있었다. 그러나 본 발명의 회전 코일용 패턴(110)에서는, 유효도선부(111)는 다수 개의 병렬 배치되는 유효도선(111a)들로 이루어지게 하고, 이들을 연결하는 연결도선부(112)는 (상기 유효도선(111a) 각각의 폭보다는 넓게 이루어질 수 있되) 상기 유효도선부(111) 자체의 폭보다는 좁게 이루어지게 할 수 있다. 이에 따라 기존의 단선형 패턴에 비해 회전 코일의 반경을 훨씬 줄일 수 있으며, 이에 따라 회전 관성 모멘트를 줄여서 궁극적으로는 회전 진동 가진기의 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 즉 구체적으로 비교하자면, 도 3에 도시된 바와 같은 기존의 단선형 패턴으로 이루어지는 회전 코일과 비교할 때, 동일한 전력을 인가하면 더욱 빠른 회전 각가속도를 얻을 수 있으며, 동일한 회전 각가속도를 얻고 싶을 경우 보다 낮은 전력을 인가해도 되는 것이다.

[2] 본 발명의 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법

요약하자면, 본 발명의 회전 코일은, 회전 코일용 패턴(110)이 PCB 기판(120) 상에 인쇄되어 형성되되, (단선식으로 형성되는 기존의 패턴과는 달리) 상기 회전 코일용 패턴(110)이 병렬 다선식으로 형성되도록 한다. 이에 따라 상술한 바와 같이 회전 코일(100) 자체의 직경을 줄여 회전 진동 가진기의 효율을 향상하고, 인가 전력을 절약할 수 있는 등의 다양한 장점을 얻을 수 있다.

앞서 설명한 기존의 회전 가진기에서의 회전 코일은, 회전 코일용 패턴이 형성된 기판을 여러 층 적층한 적층체로서 형성되었다. 따라서 기존의 회전 코일에서는, 기판 적층 개수를 조절하는 방식으로 임피던스를 조절하였다. 반면 본 발명의 회전 코일은, 기판 적층 개수를 조절할 수도 있지만, 그 뿐 아니라 상기 회전 코일용 패턴(110)들의 연결 관계를 다양하게 조절함으로써 회전 코일 전체의 임피던스를 조절할 수 있다.

앞서도 설명하였듯이 회전 코일은 영구 자석의 자장 영향력이 끼치는 범위 내에 전력이 흐르는 도선(즉 회전 코일의 유효도선 부분)을 배치하여, 이들의 상호 작용으로 발생되는 전자기력에 의하여 회전이 발생되도록 하는 원리로 작동한다. 자장의 세기는 거리의 제곱에 반비례하는 바, 회전 코일과 영구 자석 간의 거리에 따라 발생되는 회전력은 줄어들게 된다. 그런데 기존의 회전 코일에서는, 기판 적층 개수를 조절하는 방식으로 임피던스를 조절하였기 때문에, 기판 적층 두께에 따라 영구 자석에 가까운 기판에서 발생되는 회전력 및 영구 자석에 먼 기판에서 발생되는 회전력 간에 차이가 발생하였으며, 이는 궁극적으로 회전 진동 가진기의 성능 저하의 원인이 되었다.

본 발명에서는, 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여, 임피던스를 조절함에 있어서 기판 상의 회전 코일용 패턴 간 연결 관계를 조절하는 방식을 사용한다. 이에 따라 기판의 적층 개수를 기존보다 줄일 수 있어, 상술한 바와 같은 성능 저하의 악영향을 기존보다 저감할 수 있다. 이하에서, 본 발명의 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법을 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명의 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법은, [1]에서 설명한 바와 같은 회전 코일(100)의 임피던스를 조절하기 위한 설계 방법으로서, 패턴 배치 단계 및 패턴 연결 단계를 포함한다.

상기 패턴 배치 단계에서는, 상기 기판(120) 상에 적어도 한 쌍 이상의 상기 회전 코일용 패턴(110)이 서로 마주보게 배치되도록 한다. 상기 회전 코일용 패턴(110)이 적어도 한 쌍 이상, 또한 서로 대칭되게 배치되는 이유에 대해서는 앞서 설명한 바 있으므로 여기에서는 생략한다.

상기 패턴 연결 단계에서는, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 각각의 상기 전류 입력 단자(113)들 및 상기 전류 귀환 단자(115)들의 연결 관계가 조절됨으로써 상기 회전 코일(100) 전체 임피던스가 조절되도록 한다. 즉, 상기 패턴 연결 단계에서 연결 관계를 어떻게 설계하느냐에 따라 상기 회전 코일(100) 전체의 임피던스가 다양하게 결정될 수 있다.

이하에서, 상기 패턴 연결 단계의 여러 구체적인 실시예들을 설명한다. 본 발명의 임피던스 조절 설계 방법에서는, 동일한 개수 및 배치의 패턴들을 놓고 이들을 어떻게 연결하느냐에 따라 임피던스가 달라질 수 있도록 한다. 이하 도 8, 9, 10의 실시예들은 그 연결관계가 어떻게 달라지는지를 설명하기 위한 것으로서, 따라서 동일한 배치의 패턴을 기준으로 한다. 보다 구체적으로는, 도 5에 도시된 바와 같은 회전 코일(100)과 같은 패턴 배치로서, 즉 도 8, 9, 10에서, 하나의 회전 코일(100)에는 2쌍(4개)의 회전 코일용 패턴(110)들이 배치되되, 상기 회전 코일용 패턴(110)들은 (서로 방사상으로 등간격 이격되도록) 상기 회전 코일(100)의 중심을 기준으로 서로 90도씩 회전된 위치에 배치된다.

본 발명에서는, 상기 회전 코일용 패턴(110)들을 직렬 연결 관계로 연결하거나, 병렬 연결 관계로 연결하거나, 또는 직병렬 혼합 연결 관계로 연결한다. 연결 관계를 보다 원활하게 설명하기 위해, 도 8, 9, 10에서 최좌측에 배치된 회전 코일용 패턴을 제1 회전 코일용 패턴(110A)으로 칭하고, 반시계 방향으로 순차적으로 제2, 3, 4 회전 코일용 패턴(110B)(110C)(110D)으로 칭한다(각 회전 코일용 패턴에 속하는 전류 입력 단자 및 전류 귀환 단자들도 동일한 방식으로 칭한다).

2-1. 직렬 연결 관계

첫 번째 실시예에서는, 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직렬 연결 관계로 연결되도록 한다. 도 8은 첫 번째 실시예에 따른 연결 관계를 도시하고 있으며, 이 경우 상기 패턴 연결 단계를 보다 세부적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 하나가 시작 패턴으로, 상기 시작 패턴에 최근접한 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 다른 하나가 귀환 패턴으로 선택된다. 도 8의 예시에서는, 제1 회전 코일용 패턴(110A)이 시작 패턴으로, 제4 회전 코일용 패턴(110D)이 귀환 패턴으로 선택된다.

다음으로, 시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결된다. 도 8의 예시에서는, 제1 전류 귀환 단자(115A) - 제2 전류 입력 단자(113B)가 서로 연결되고, 제2 전류 귀환 단자(115B) - 제3 전류 입력 단자(113C)가 서로 연결되고, 제3 전류 귀환 단자(115C) - 제4 전류 입력 단자(113D)가 서로 연결된다. 이와 같이 연결됨으로써, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직렬 연결 관계를 형성하게 된다.

마지막으로, 상기 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)에 전류 입력용 외부 도선이 연결되고, 상기 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결된다. 도 8의 예시에서는, 제1 전류 입력 단자(113A)에 전류 입력용 외부 도선이 연결되고, 제4 전류 귀환 단자(115D)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결된다.

이와 같이 직렬 연결 관계가 형성되었을 때, 상기 회전 코일(100)의 임피던스는 다음과 같이 계산될 수 있다.

■ 회전 코일 전체의 임피던스

- 저항 성분 : 4개의 패턴들의 저항 값들의 합

→ 1개 패턴 저항 값의 4배

- 인덕턴스 성분 : 4개의 패턴들의 인덕턴스 값들의 합

→ 1개 패턴 인덕턴스 값의 4배

■ 인가 전류

- 임피던스 단순 합으로 증가된 만큼의 높은 전압 인가 필요

2-2. 병렬 연결 관계

두 번째 실시예에서는, 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직렬 연결 관계로 연결되도록 한다. 도 9는 두 번째 실시예에 따른 연결 관계를 도시하고 있으며, 이 경우 상기 패턴 연결 단계를 보다 세부적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 하나가 시작 패턴으로, 상기 시작 패턴에 최근접한 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 다른 하나가 귀환 패턴으로 선택된다. 도 9의 예시에서는, 제1 회전 코일용 패턴(110A)이 시작 패턴으로, 제4 회전 코일용 패턴(110D)이 귀환 패턴으로 선택된다.

다음으로, 시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결된다. 또한, 시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115)가 서로 연결된다. 도 9의 예시에서는, 제1 전류 입력 단자(113A) - 제2 전류 입력 단자(113B) - 제3 전류 입력 단자(113C) - 제4 전류 입력 단자(113D)가 서로 연결되며, 또한 제1 전류 귀환 단자(115A) - 제2 전류 귀환 단자(115B) - 제3 전류 귀환 단자(115C) - 제4 전류 귀환 단자(115D)가 서로 연결된다. 이와 같이 연결됨으로써, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 병렬 연결 관계를 형성하게 된다.

마지막으로, 상기 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)에 전류 입력용 외부 도선이 연결되고, 상기 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결된다. 도 9의 예시에서는, 제1 전류 입력 단자(113A)에 전류 입력용 외부 도선이 연결되고, 제4 전류 귀환 단자(115D)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결된다.

이와 같이 병렬 연결 관계가 형성되었을 때, 상기 회전 코일(100)의 임피던스는 다음과 같이 계산될 수 있다.

■ 회전 코일 전체의 임피던스

- 저항 성분 : 4개의 패턴들의 저항 역수 값들의 합의 역수

→ 1개 패턴 저항 값의 1/4배(패턴 개수의 역수)

- 인덕턴스 성분 : 4개의 패턴들의 인덕턴스 역수 값들의 합의 역수

→ 1개 패턴 인덕턴스 값의 1/4배(패턴 개수의 역수)

■ 인가 전류

- 임피던스가 1/4로 저감됨에 따라 1/4 낮은 전압을 인가해도

동일 전류로 구동 가능함

2-3. 직병렬 혼합 연결 관계

세 번째 실시예에서는, 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직병렬 혼합 연결 관계로 연결되도록 한다. 도 10은 세 번째 실시예에 따른 연결 관계를 도시하고 있으며, 이 경우 상기 패턴 연결 단계를 보다 세부적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 서로 최측근 배치된 일부 패턴들의 세트들로 그룹핑된다. 도 10의 예시에서는, 제1 회전 코일용 패턴(110A) 및 제2 회전 코일용 패턴(110B)이 하나의 세트로, 제3 회전 코일용 패턴(110C) 및 제4 회전 코일용 패턴(110D)이 다른 하나의 세트로 그룹핑되어, 총 2개의 세트가 형성된다.

다음으로, 다수 개의 상기 세트들 중 하나가 시작 세트로, 상기 시작 세트에 최근접한 상기 세트들 중 다른 하나가 귀환 세트로 선택된다. 도 10의 예시에서는, 제1 회전 코일용 패턴(110A)이 속한 세트가 시작 세트로, 제4 회전 코일용 패턴(110D)이 속한 세트가 귀환 세트로 선택된다.

다음으로, 각 세트에 대하여, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 하나가 시작 패턴으로, 상기 시작 패턴에 최근접한 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 다른 하나가 귀환 패턴으로 선택된다. 도 10의 예시에서는, 먼저 시작 세트에서는, 제1 회전 코일용 패턴(110A)이 시작 패턴으로, 제2 회전 코일용 패턴(110B)이 귀환 패턴으로 선택된다. 또한 귀환 세트에서는, 제3 회전 코일용 패턴(110C)이 시작 패턴으로, 제4 회전 코일용 패턴(110D)이 귀환 패턴으로 선택된다.

다음으로, 각 세트에 대하여, 시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결된다. 도 10의 예시에서는, 먼저 시작 세트에서는, 제1 전류 귀환 단자(115A) - 제2 전류 입력 단자(113B)가 서로 연결된다. 또한 귀환 세트에서는, 제3 전류 귀환 단자(115C) - 제4 전류 입력 단자(113D)가 서로 연결된다. 이와 같이 연결됨으로써, 각 세트에 대하여, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직렬 연결 관계를 형성하게 된다.

다음으로, 시작 세트로부터 귀환 세트까지 순차적으로, 하나의 세트의 시작 패턴의 전류 입력 단자(113) 및 최측근 배치된 다른 하나의 세트의 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결된다. 또한, 시작 세트로부터 귀환 세트까지 순차적으로, 하나의 세트의 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 세트의 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)가 서로 연결된다. 도 10의 예시에서는, 시작 세트의 시작 패턴이 제1 회전 코일용 패턴(110A)이고, 귀환 세트의 시작 패턴이 제3 회전 코일용 패턴(110C)이므로, 제1 전류 입력 단자(113A) - 제 3 전류 입력 단자(113C)가 서로 연결된다. 또한, 시작 세트의 귀환 패턴이 제2 회전 코일용 패턴(110B)이고, 귀환 세트의 귀환 패턴이 제4 회전 코일용 패턴(110D)이므로, 제2 전류 귀환 단자(115B) - 제 4 전류 귀환 단자(115D)가 서로 연결된다. 이와 같이 연결됨으로써, 다수 개의 상기 세트들이 병렬 연결 관계를 형성하게 된다.

마지막으로, 상기 시작 세트의 상기 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)에 전류 입력용 외부 도선이 연결되고, 상기 귀환 세트의 상기 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결된다. 도 10의 예시에서는, 시작 세트의 시작 패턴이 제1 회전 코일용 패턴(110A)이므로, 제1 전류 입력 단자(113A)에 전류 입력용 외부 도선이 연결된다. 또한, 귀환 세트의 귀환 패턴이 제4 회전 코일용 패턴(110D)이므로, 제4 전류 귀환 단자(115D)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결된다. 이와 같이 연결됨으로써, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직병렬 혼합 연결 관계를 형성하게 된다.

이와 같이 직병렬 연결 관계가 형성되었을 때, 상기 회전 코일(100)의 임피던스는 다음과 같이 계산될 수 있다.

■ 회전 코일 전체의 임피던스

- 저항 성분 : 각 세트당 2개의 패턴들의 저항 역수 값들의

합의 역수(병렬), 2개 세트들의 합(직렬)

→ (1/2 + 1/2)이 되어 1개 패턴 저항 값이 됨

- 인덕턴스 성분 : 각 세트당 2개의 패턴들의 인덕턴스 역수 값들의

합의 역수(병렬), 2개 세트들의 합(직렬)

→ (1/2 + 1/2)이 되어 1개 패턴 인덕턴스 값이 됨

■ 인가 전류

- 1개 패턴의 임피던스 값 유지로 인가 전압 변동 없이

동일 전류로 구동 가능함

[3] 단선식 패턴(종래)와 병렬 다선식 패턴(본 발명)의 비교

2-1, 2, 3에서 보인 바와 같이, 본 발명에 의하면 패턴들의 연결 관계를 조절함에 따라 회전 코일 전체의 임피던스를 조절할 수 있다. 본 출원인은, 도 3으로 대표되는 단선식 패턴 및 도 4로 대표되는 병렬 다선식 패턴을 실제로 제작하여 그 성능을 시험하였다.

도 11은 기존의 단선식 패턴(도 11(A)) 및 본 발명의 병렬 다선식 패턴(도 11(B)) 비교도로서, 유효도선부 즉 영구 자석의 자장 범위 내에 있는 부분은 서로 동일하도록 제작한 것이다. 본 발명의 병렬 다선식 패턴은 앞서 설명한 바와 같이 연결도선부의 폭을 기존보다 좁게 형성할 수 있으므로, 도 11(A)에 도시된 단선식 패턴에 비해 회전 코일 반경을 훨씬 줄일 수 있다. 구체적으로는, 기존의 단선식 패턴을 적용할 경우 회전 코일이 40mm의 반경을 가지며, 본 발명의 병렬 다선식 패턴을 적용할 경우 회전 코일이 35mm의 반경을 가지도록 제작될 수 있었다.

또한, 기존의 단선식 패턴의 경우 임피던스를 조절하기 위해서는 적층 층수를 변경하는 방식만을 사용하였던 것과는 달리, 본 발명의 병렬 다선식 패턴의 경우 임피던스를 조절하기 위해서 ([2]에서 설명한 바와 같이) 패턴들 간의 연결 관계를 변경하는 방식을 더 사용한다.

먼저, 기존의 단선식 패턴을 적용한 회전 코일의 경우, 4개의 저항 평균값은 9.8 Ω (5.8 % 표준편차), 4개의 인덕턴스 평균값은 45.1 μH (3.8 % 표준편차)로 나타났다. 이 때, 기판 상의 4개의 패턴들을 직렬 연결하고, 이러한 기판들을 4층으로 적층하여 기판들을 병렬 연결한 모델에서, 기판들의 적층체로 이루어지는 회전 코일의 평균 저항은 9.78 Ω (3.2 % 표준편차), 평균 인덕턴스는 44.8 μH (2.8 % 표준편차)로 나타났다.

한편, 본 발명의 병렬 다선식 패턴을 적용한 회전 코일의 경우, 4개의 저항 평균값은 0.371 Ω (4.5 % 표준편차), 4개의 인덕턴스 평균값은 1.68 μH (3.2 % 표준편차)로 나타났다. 이 때, 기판 상의 4개의 패턴들을 직렬 연결하고, 이러한 기판들을 2층으로 적층하여 기판들을 병렬 연결한 모델에서, 기판들의 적층체로 이루어지는 회전 코일의 평균 저항은 0.737 Ω (3.3 % 표준편차), 평균 인덕턴스는 3.31 μH (2.3 % 표준편차)로 나타났다.

이처럼 기존의 단선식 패턴을 적용한 회전 코일과 본 발명의 병렬 다선식 패턴을 적용한 회전 코일의 특성치 개선 결과를 요약하면 다음과 같다.

■ 전기적 특성치 개선

- 기존의 단선식 패턴을 적용한 회전 코일의 9.78 Ω, 평균 인덕턴스는 44.8 μH 수준으로 상당히 높은 반면, 본 발명의 병렬 다선식 패턴을 적용한 회전 코일의 저항은 0.737 Ω, 인덕턴스는 3.31 μH 수준으로 획기적인 저감을 할 수 있었다. 즉 저항과 인덕턴스를 약 1/13 수준으로 대폭 저감한 것이다.

- 이에 따라 1V 정도의 낮은 전압으로 1 A 이상의 전류 (1.36 A)를 코일에 인가할 수 있는 큰 장점을 얻을 수 있었다.

- 또한 이러한 저항 감소에 따라, 동일 인가 전류 시 소비전력(I²R)을 기존 대비 1/13으로 저감하여, 회전 코일에서의 전기적 발열량 또한 획기적으로 저감할 수 있었다.

■ 기계적 특성치 개선

- 본 발명에 의하면 기존에 비해 회전 코일의 반경을 40 mm에서 35 mm로, 12.5% 줄일 수 있었다. 이처럼 회전 코일의 반경이 12.5% 줄면 회전 관성 모멘트는 이전의 76 % (= 0.8752) 정도로 줄어든다. 즉 동일한 전류를 인가했을 때 본 발명의 병렬 다선식 패턴을 적용할 경우 회전 각 가속도를 30 % 증가시킬 수 있는 것이다.

- 또한 본 발명의 패턴 적용 시 기존의 4층 두께 1.6 mm의 절반인 0.8 mm로 두께를 줄일 수 있었고, 이에 따라 영구 자석 상하간 간격을 3.6 mm에서 2.8 mm 저감할 수 있었다. 즉 영구 자석 간격을 33% 저감하여, 결과적으로 자장 세기를 66 % 증대시킬 수 있었고, 이에 따라 66 %의 토크 증대를 구현할 수 있었다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: 회전 코일
110: 회전 코일용 패턴
111: 유효도선부 111a: 유효도선
112: 연결도선부 113: 전류 입력 단자
114: 전류 연결 단자 115: 전류 귀환 단자
120: 기판

Claims (9)

1. 영구 자석 위에 배치되며 외부로부터 전류가 인가되어 전자기력에 의해 회전 운동하도록 이루어지는 회전 가진기용 회전 코일(100)에 있어서,
   PCB 기판(120); 및 상기 기판(120) 상에 인쇄 회로 패턴 형태로 형성되며, 상기 기판(120) 상에 서로 마주보게 배치되는 적어도 한 쌍 이상의 회전 코일용 패턴(110); 을 포함하여 이루어지되, 상기 회전 코일용 패턴(110)은
   상기 영구 자석의 자장 내에 배치되며 서로 나란하게 연장되어 병렬 배치되는 다수 개의 유효도선(111a)들로 이루어지는 다수 개의 유효도선부(111), 상기 영구 자석의 자장 외에 배치되며 스파이럴(spiral) 형상을 이루도록 상기 유효도선부(111)들의 끝단들을 연결하는 다수 개의 연결도선부(112), 상기 유효도선부(111)들 및 상기 연결도선부(112)들에 의하여 이루어진 상기 스파이럴 형상의 일측 끝단과 연결되어 전류가 인가되는 전류 입력 단자(113), 상기 스파이럴 형상의 타측 끝단과 연결되며 상기 기판(120)을 관통하여 형성되는 전류 연결 단자(114), 상기 전류 연결 단자(114)와 연결되어 전류가 귀환되는 전류 귀환 단자(115)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬 다선식 PCB형 회전 코일.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 연결도선부(112)의 폭은 상기 유효도선부(111)의 폭보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 병렬 다선식 PCB형 회전 코일.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 회전 코일용 패턴(110) 하나당 상기 유효도선부(111)는 적어도 한 쌍 이상의 다수 쌍이 포함되되, 각 쌍의 상기 유효도선부(111)들은 상기 회전 코일용 패턴(110)의 중심선을 중심으로 선대칭을 이루며 배치되는 것을 특징으로 하는 병렬 다선식 PCB형 회전 코일.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 유효도선부(111)들 및 상기 연결도선부(112)들에 의하여 이루어진 상기 스파이럴 형상의 외곽선은 부채꼴 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 병렬 다선식 PCB형 회전 코일.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 기판(120) 상에 서로 마주보게 배치되는 적어도 두 쌍 이상의 회전 코일용 패턴(110)이 포함되되, 상기 회전 코일용 패턴(110)들의 각 쌍은 방사상으로 등간격 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 병렬 다선식 PCB형 회전 코일.
   
6. 제 1 내지 5항 중 선택되는 어느 한 항에 의한 회전 코일(100)의 임피던스를 조절하기 위한 설계 방법으로서,
   상기 기판(120) 상에 적어도 한 쌍 이상의 상기 회전 코일용 패턴(110)이 서로 마주보게 배치되는, 패턴 배치 단계;
   다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 각각의 상기 전류 입력 단자(113)들 및 상기 전류 귀환 단자(115)들의 연결 관계가 조절됨으로써 상기 회전 코일(100) 전체 임피던스가 조절되는, 패턴 연결 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 다선식 PCB형 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법.
   
7. 제 6항에 있어서, 상기 패턴 연결 단계는
   다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 하나가 시작 패턴으로, 상기 시작 패턴에 최근접한 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 다른 하나가 귀환 패턴으로 선택되는 단계;
   시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결되어,
   다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직렬 연결 관계를 형성하는 단계;
   상기 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)에 전류 입력용 외부 도선이 연결되고, 상기 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결되는 단계;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬 다선식 PCB형 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법.
   
8. 제 6항에 있어서, 상기 패턴 연결 단계는
   다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 하나가 시작 패턴으로, 상기 시작 패턴에 최근접한 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 다른 하나가 귀환 패턴으로 선택되는 단계;
   시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결되고,
   시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115)가 서로 연결되어,
   다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 병렬 연결 관계를 형성하는 단계;
   상기 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)에 전류 입력용 외부 도선이 연결되고, 상기 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결되는 단계;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬 다선식 PCB형 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법.
   
9. 제 6항에 있어서, 상기 패턴 연결 단계는
   다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 서로 최측근 배치된 일부 패턴들의 세트들로 그룹핑되는 단계;
   다수 개의 상기 세트들 중 하나가 시작 세트로, 상기 시작 세트에 최근접한 상기 세트들 중 다른 하나가 귀환 세트로 선택되는 단계;
   각 세트에 대하여, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 하나가 시작 패턴으로, 상기 시작 패턴에 최근접한 상기 회전 코일용 패턴(110)들 중 다른 하나가 귀환 패턴으로 선택되는 단계;
   각 세트에 대하여, 시작 패턴으로부터 귀환 패턴까지 순차적으로, 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 상기 회전 코일용 패턴(110)의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결되어,
   각 세트에 대하여, 다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직렬 연결 관계를 형성하는 단계;
   시작 세트로부터 귀환 세트까지 순차적으로, 하나의 세트의 시작 패턴의 전류 입력 단자(113) 및 최측근 배치된 다른 하나의 세트의 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)가 서로 연결되고,
   시작 세트로부터 귀환 세트까지 순차적으로, 하나의 세트의 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115) 및 최측근 배치된 다른 하나의 세트의 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)가 서로 연결되어,
   다수 개의 상기 세트들이 병렬 연결 관계를 형성하는 단계;
   상기 시작 세트의 상기 시작 패턴의 전류 입력 단자(113)에 전류 입력용 외부 도선이 연결되고, 상기 귀환 세트의 상기 귀환 패턴의 전류 귀환 단자(115)에 전류 귀환용 외부 도선이 연결되어,
   다수 개의 상기 회전 코일용 패턴(110)들이 직병렬 혼합 연결 관계를 형성하는 단계;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬 다선식 PCB형 회전 코일의 임피던스 조절 설계 방법.

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