KR20200056809A - 리니어 모터 및 그 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 프레임 상에 구비되는 고정자 상에서 이동하는 이동자 측에 제어용 케이블을 필요로 하지 않게 하는 리니어 모터를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 모터는, 바닥과 양 측벽을 가지고 길이 방향으로 신장되는 프레임, 상기 바닥 상에 상기 길이 방향을 따라 반복적으로 배치되어 고정자를 형성하는 복수의 코일모듈, 상기 양 측벽 상에 상기 길이 방향에 교차하는 폭 방향으로 배치되어 상기 길이 방향으로 이동하는 이동자, 상기 이동자의 하측에 장착되어 상기 코일모듈에 선택적으로 대응하는 추력자석, 및 상기 양 측벽 중 일 측벽의 내면에 장착되어, 드라이버가 상기 코일모듈들을 상 전환 제어하도록 상기 추력자석에 대응하는 자기장으로 작동되는 제1홀센서(스위칭 홀센서)를 구비하는 홀스위칭 보드를 포함한다.

Description

리니어 모터 및 그 제어 시스템 {LINEAR MOTOR AND CONTROLLING SYSTEM OF THE SAME}
본 발명은 리니어 모터 및 그 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 프레임에 구비되는 고정자 상에서 이동하는 이동자 측에 제어용 케이블을 필요로 하지 않게 하는 리니어 모터 및 그 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 리니어 모터(linear motor)는 작업용 로봇이나 정밀한 왕복 이송을 가능하게 하는 장치로써 다양한 분야에서 많이 사용되고 있다. 리니어 모터는 전기적 입력에 대하여 직접적으로 직선력을 얻을 수 있기 때문에 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키기 위한 별도의 동력 전환 장치를 필요로 하지 않는다. 또한, 리니어 모터는 비접촉시 운동 방식으로 직선 운동하기 때문에 고속 운전 및 정속 운전을 가능하게 하고, 시스템의 소형화를 구현할 수 있다.
예를 들면, 리니어 모터는 직선으로 형성되는 프레임, 프레임에 길이 방향을 따라 반복적으로 구비되는 고정자 자석, 고정자 자석의 측방에서 프레임에서 길이 방향을 따라 구비되는 가이드 레일, 가이드 레일 상에 배치되는 블록, 블록으로 지지되는 이동자, 및 이동자에 장착되어 고정자 자석에 선택적으로 대응하는 이동자 코일모듈을 포함한다. 이동자 코일모듈은 케이블로 연결된다. 따라서 리니어 모터는 이동자 코일모듈을 제어하는 케이블의 존재로 인하여, 프레임 상에서 이동자의 이동 거리나 이동 형태에서 제약을 갖게 된다.
본 발명의 일 실시예는 프레임 상에 구비되는 고정자 상에서 이동하는 이동자 측에 제어용 케이블을 필요로 하지 않게 하는 리니어 모터를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예는 프레임에 고정자 코일을 구비하고, 이동자에 추력자석을 구비하여, 이동자를 직선 이동시키는 리니어 모터를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 실시예는 상기 리니어 모터를 정밀하게 제어하는 리니어 모터 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 모터는, 바닥과 양 측벽을 가지고 길이 방향으로 신장되는 프레임, 상기 바닥 상에 상기 길이 방향을 따라 반복적으로 배치되어 고정자를 형성하는 복수의 코일모듈, 상기 양 측벽 상에 상기 길이 방향에 교차하는 폭 방향으로 배치되어 상기 길이 방향으로 이동하는 이동자, 상기 이동자의 하측에 장착되어 상기 코일모듈에 선택적으로 대응하는 추력자석, 및 상기 양 측벽 중 일 측벽의 내면에 장착되어, 드라이버가 상기 코일모듈들을 상 전환 제어하도록 상기 추력자석에 대응하는 자기장으로 작동되는 제1홀센서(스위칭 홀센서)를 구비하는 홀스위칭 보드를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 모터는, 상기 양 측벽 상에 상기 길이 방향을 따라 구비되는 가이드 레일, 및 상기 가이드 레일 상에 배치되어 슬라이드 이동하는 블록을 더 포함하고, 상기 이동자는 상기 블록으로 지지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 모터는, 상기 양 측벽 상에 구비되는 제2홀센서(리니어 홀센서)를 구비한 절대위치 측정보드 및 상기 이동자의 하측에 장착되어 상기 제2홀센서에 대응하는 자기장을 일으키는 위치측정자석을 더 포함한다. 상기 절대위치 측정보드는 상기 가이드 레일의 측방에 구비될 수 있다.
상기 이동자는 상기 폭 방향 양단에서 상기 양 측벽의 외면에 마주하는 외측벽을 구비하며, 상기 양 측벽 중 한 측벽은 외면에 엔코더 헤드를 구비하고, 상기 외측벽은 상기 엔코더 헤드에 마주하는 엔코더 스케일을 구비할 수 있다.
길이 방향으로 배치되는 3개의 상기 코일모듈로 설정되는 단위 코일모듈 피치(Pt)에 대응하여, 상기 추력자석은 길이 방향으로 서로 같은 크기의 2개로 형성되고, 이웃하는 2개의 추력자석 피치(Pm)는 상기 코일모듈 피치(Pt)의 1/2로 설정될 수 있다(Pm=Pt/2).
상기 홀스위칭 보드에 구비되는 제1홀센서의 제1피치(P1)는 상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정될 수 있다(P1=Pt/3).
상기 위치측정자석은 길이 방향으로 서로 같은 크기의 2개로 형성되고, 이웃하는 2개의 위치측정자석의 피치(Pp)는 상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정될 수 있다(Pp=Pt/3).
상기 절대위치 측정보드에 구비되는 제2홀센서의 제2피치(P2)는 상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정될 수 있다(P2=Pt/3).
길이 방향으로 배치되는 3개의 상기 코일모듈로 설정되는 단위 코일모듈 피치(Pt)에 대응하여, 상기 추력자석은 길이 방향으로 제1길이를 가지는 제1자석과 상기 제1길이의 1/2크기인 제2길이를 가지는 제2자석과 제3자석을 포함하며, 이웃하는 2개의 추력자석의 피치(Pm2)는 상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/2로 설정될 수 있다(Pm2=Pt/2).
상기 위치측정자석은 길이 방향으로 제1길이를 가지는 제1위치자석과 상기 제1길이의 1/2크기인 제2길이를 가지는 제2위치자석과 제3위치자석을 포함하며, 이웃하는 2개의 위치측정자석의 피치(Pp2)는 상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정된다(Pp2=Pt/3).
상기 절대위치 측정보드에 구비되는 제2홀센서의 제22피치(P22)는 상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정된다(P22=Pt/3).
본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 모터 제어 시스템은, 고정자를 구성하는 복수의 코일모듈, 상기 코일모듈을 구동시키는 드라이버, 이동자에 구비되는 추력자석과의 상호 작용으로 설정되는 자기장으로 상기 코일모듈의 상 전환 신호를 발생시키도록 상기 드라이버에 스위칭 신호를 입력하는 제1홀센서, 고정자와 이동자 사이의 일부 구간에 구비되어 엔코더 신호를 발생시켜 상기 코일모듈을 피드백 제어로 스위칭시키는 엔코더, 이동자에 구비되는 위치측정용 자석과의 상호 작용으로 설정되는 자기장으로 이동자의 위치 신호를 발생시키는 제2홀센서, 및 상기 엔코더 신호와 상기 위치 신호를 상기 드라이버에 인가하는 제어부를 포함하며, 상기 드라이버는 상기 제어부에서 인가되는 신호 및 상기 제1홀센서로부터 인가되는 상기 스위칭 신호로 상기 코일모듈을 제어한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는, 고정자를 형성하는 코일모듈을 프레임에 설치하고, 이동자에 추력자석을 구비하여 코일모듈에 선택적으로 대응하며, 제1홀센서(스위칭 홀센서)를 구비하는 홀스위칭 보드를 프레임의 일 측벽의 내면에 장착하여 추력자석에 대응하는 제1홀센서의 자기장 값으로 드라이버가 코일모듈들을 상 전환 제어할 수 있게 하므로 프레임 및 고정자 상에서 이동하는 이동자 측에 제어용 케이블을 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 모터의 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따른 단면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따른 단면도이다.
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따른 단면도로서, 추력자석과 스위칭 홀센서(제1홀센서)의 관계를 도시한다.
도 5는 도 2의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따른 단면도로서, 스위칭 홀센서(제1홀센서)와 리니어 홀센서(제2홀센서)의 관계를 도시한다.
도 6은 본 발명의 도 2의 우측면도이다.
도 7은 엔코더(엔코더 스케일과 엔코더 헤드)를 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 모터 제어 시스템의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 코일모듈과 추력자석의 배치 관계를 도시한 변형예의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 추력자석과 스위칭 홀센서(제1홀센서)의 관계를 도시한 변형예의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 스위칭 홀센서(제1홀센서)와 리니어 홀센서(제2홀센서)의 관계를 도시한 변형예의 평면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 모터의 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따른 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 리니어 모터는 프레임(10), 고정자를 형성하는 코일모듈(20), 가이드 레일(30), 블록(40), 이동자(50), 추력자석(60), 드라이버(70) 및 스위칭 홀센서(제1홀센서)(S1)를 구비하는 홀스위칭 보드(80)를 포함한다.
즉 일 실시예의 리니어 모터는 고일모듈(20)이 고정자를 형성하고, 추력자석(60)이 이동자(50)를 형성하므로 제어 케이블(미도시)이 없는 상태로 이동자(50)의 모션을 가능하게 한다.
프레임(10)은 바닥(13)과 양 측벽(11, 12)을 가지고 길이 방향(y축 방향)으로 신장 형성된다. 길이 방향(y축 방향)에 교차하는 폭 방향(x축 방향)에서 바닥(13)은 중간에 배치되고, 양 측벽(11, 12)은 바닥(13)의 양단에서 높이 방향(z축 방향)으로 설정된 높이를 가지고 y축 방향으로 신장된다.
코일모듈(20)은 바닥(13) 상에 길이 방향(y축 방향)을 따라 반복적으로 배치되어 고정자를 형성한다. 즉 코일모듈(20)은 3상 교류전류로 작동되도록 3개로 구비되고, 길이 방향(y축 방향) 범위 내에서 반복적으로 배치된다.
코일모듈(20)은 바닥(13)에 설치되는 코일요크(21)와 코일요크(21)에 감긴 코일(22)로 형성되며, 코일(22)에 인가되는 3상 교류전유에 의하여 3상 전환되면서 코일요크(21)에 자기장이 형성 및 소멸된다.
드라이버(70)는 코일모듈들(20)을 3상 전환 제어하도록 형성되어, 코일모듈들(20) 각각의 코일(22)에 전기적으로 연결된다. 코일모듈들(20)은 3개로 구성되는 1파트씩 1개의 드라이버(70)로 구동된다.
예를 들면, 3상의 코일모듈들(20) 4파트가 구비되는 경우, 이를 구동시키는 드라이버(70) 4개가 필요하다. 코일모듈(20)의 개수와 드라이버(70)의 개수를 추가함에 따라 리니어 모터의 길이를 확장할 수 있다.
도시하지 않았으나 드라이버(70)는 프레임(10)에 설치된다. 드라이버(70)의 구동 신호에 따라 선택된 코일모듈(20)은 N극성 또는 S극성의 자기장을 형성 및 소멸하게 된다.
가이드 레일(30)은 양 측벽(11, 12) 상에 길이 방향(y축 방향)을 따라 구비된다. 블록(40)은 가이드 레일(30) 상에 배치된다. 이동자(50)는 블록(40)으로 지지되고 양 측벽(11, 12) 상에 폭 방향(x축 방향)으로 배치되어 길이 방향(y축 방향)으로 슬라이드 이동한다.
추력자석(60)은 이동자(50)의 하측에 장착되어 코일모듈(20)에 선택적으로 대응한다. 추력자석(60)은 코일모듈(20)의 3상 전환에 따라 형성 또는 소멸되는 자기장과 상호 작용하면서 프레임(10) 상에서 이동자(50)를 이동시킨다. 추력자석(60)은 이동자(50)의 하면에 자석요크(61)를 개재하여 설치된다.
드라이버(70)로 코일모듈들(20)을 구동하기 위하여, 각 이동자(50) 및 추력자석(60)의 위치가 파악되어야 하고, 이동자(50) 및 추력자석(60)의 위치에 따라 각 드라이버(70)가 정확하게 3상 전환되어야 한다.
홀스위칭 보드(80)는 양 측벽(11, 12) 중 일 측벽(11)의 내면에 장착되고 제1홀센서(스위칭 홀센서)(S1)를 구비한다. 스위칭 홀센서(S1)는 스위칭 홀센서(S1)의 배열과 이동자(50)의 추력자석(60)에 대응하는 자기장으로 작동되어, 드라이버(70)의 3상 전환 신호를 만들어 낸다. 3상 전환 신호는 드라이버(70)에 전달되어, 코일모듈(20)의 코일(22)을 제어한다.
즉 이동자(50) 및 추력자석(60)의 위치에 따라 코일모듈(20)이 정확한 상으로 구동되도록 3상 전환 신호는 드라이버(70)의 상을 전환한다. 이동자(50) 및 추력자석(60)의 위치와 드라이버(70)의 상 전환이 서로 맞을 경우, 리니어 모터는 구동된다. 드라이버(70)는 로직 회로를 이용하여 전 영역에서 2상 전환되도록 구성된다.
또한, 일 실시예는 절대위치 측정보드(85) 및 위치측정자석(86)을 더 포함한다. 절대위치 측정보드(85)는 가이드 레일(30)의 측방에서 양 측벽(11, 12) 상에 구비되는 제2홀센서(리니어 홀센서)(S2)(도 7 참조)를 구비한다.
제2홀센서(S2)는 위치측정자석(86)에 대응하는 자기장으로 작동된다. 즉위치측정자석(86)은 이동자(50)의 하측에 장착되어 제2홀센서(S2)에 대응하여 자기장을 일으킨다.
제2홀센서(S2)는 제2홀센서(S2)의 배열과 이동자(50) 및 위치측정자석(86)에 대응하는 자기장으로 작동되어, 이동자(50) 및 위치측정자석(86)의 위치에 따라 달라지는 제2홀센서(S2)의 전압신호를 이용하여 이동자(50) 및 위치측정자석(86)의 위치를 추정한다.
제2홀센서(S2)는 자기장의 변화를 전압신호로 나타내며, 전압신호는 위치 제어를 위한 피드백 신호로 사용되고, 제어부(90, 도 7 참조)는 피드백 신호를 이용하여 각 이동자(50) 및 위치측정자석(86)의 위치를 제어한다.
드라이버(70), 홀스위칭 보드(80) 및 절대위치 측정보드(85)가 프레임(10)에 설치되어 제어 케이블(미도시)에 연결되고, 이동자(50)에는 추력자석(60)과 위치측정자석(86)을 구비하므로 이동자(50)에는 제어 케이블이 연결되지 않는다.
이동자(50)와 프레임(10)은 서로의 사이에 엔코더(엔코더 헤드(53)와 엔코더 스케일(54))을 더 구비한다. 이동자(50)는 폭 방향(x축 방향) 양단에서 양 측벽(11, 12)의 외면에 마주하는 양 외측벽(51, 52)을 구비한다.
한 측벽(12)은 외면에 엔코더 헤드(53)를 구비한다. 이동자(50)의 한 외측벽(52)은 엔코더 헤드(53)에 간격을 두고 마주하는 엔코더 스케일(54)을 구비하여, 이동자(50)의 정밀 제어를 가능하게 한다. 따라서 이동자(50)에는 제어 케이블이 연결되지 않을 수 있다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따른 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 길이 방향(y축 방향)으로 배치되는 3개의 코일모듈(20)은 단위 코일모듈 피치(Pt)를 설정한다. 따라서 이웃하는 코일모듈들(20, 20)의 코일모듈 피치(Pmm)는 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정된다(Pmm=Pt/3).
단위 코일모듈 피치(Pt)에 대응하여, 추력자석(60)은 길이 방향(y축 방향)으로 서로 같은 크기의 2개로 형성된다. 이웃하는 2개의 추력자석 피치(Pm)는 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/2로 설정된다(Pm=Pt/2).
3개의 코일모듈(20)을 포함하는 단위 코일모듈 피치(Pt)에 대하여 추력자석(60)은 2개로 배치된다. 2개의 추력자석(60)은 코일모듈(20)을 향하여 서로 다른 극성을 가진다.
즉 도 3에서, 좌측의 추력자석(60)은 코일모듈(20)을 향하여 S극성을 가지며, 우측의 추력자석(60)은 코일모듈(20)을 향하여 N극성을 가진다. 따라서 이웃하는 코일모듈들(20, 20)의 상 전환되어 추력자석들(60, 60)의 S극성 및 N극성과 상호 작용한다.
코일모듈들(20, 20)의 3상 전환에 따라, 코일모듈들(20, 20)과 추력자석들(60) 사이에 인력과 척력이 생성 및 소멸하면서 추력자석(60)이 장착되는 이동자(50)는 프레임(10) 상에서 길이 방향(y축 방향)으로 이동된다.
단위 코일모듈 피치(Pt)는 리니어 모터의 용도에 따라 다양하게 설정될 수 있고, 코일모듈들(20) 및 단위 코일모듈 피치(Pt)에 대한 추력자석들(60)의 형상 및 배치는 추력(thrust)과 힘 리플(force ripple) 등을 고려하여 변형될 수 있다.
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따른 단면도로서, 추력자석과 스위칭 홀센서(제1홀센서)의 관계를 도시한다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 홀스위칭 보드(80)에 구비되는 제1홀센서(S1)의 제1피치(P1)는 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정된다(P1=Pt/3). 즉 제1홀센서(S1)의 제1피치(P1)는 이웃하는 코일모듈들(20, 20)이 설정하는 코일모듈 피치(Pmm)와 동일하다(P1=Pmm).
제1홀센서(S1)는 추력자석(60)과의 상호 작용에 따라 스위칭 작용하며, 자기장의 세기가 설정치 이상이면 온(on) 작동되고, 설정치 미만이면 오프(off) 작동되도록 구성된다. 제1홀센서(S1)는 드라이버(70)가 코팅모듈들(20)을 3상 전환 제어하도록 신호를 제공한다.
이때, 제1홀센서(S1)의 제1피치(P1)와 코일모듈 피치(Pmm)가 동일(P1=Pmm)하므로 제1홀센서(S1)는 추력자석(60)과 상호 작용하여 추력자석(60)과의 사이에서 작용하는 자기장을 이용하여 온(on) 또는 오프(off) 작동된다. 따라서 종래에 홀센서와 작용하여 자기장을 일으키던 홀 스위칭 자석이 제거될 수 있다.
추력자석(60)의 배열에 따라 제1홀센서(S1)와의 자기장이 변화하므로 추력자석(60)에 배열에 맞추어 제1홀센서(S1)가 스위칭 작용한다. 제1홀센서(S1)의 스위칭 신호에 따라 드라이버(70)는 코일모듈들(20)의 3상 전환을 제어한다.
도 5는 도 2의 Ⅴ-Ⅴ 선을 따른 단면도로서, 스위칭 홀센서(제1홀센서)와 리니어 홀센서(제2홀센서)의 관계를 도시한다. 도 2 내지 도 5를 참조하면, 제1홀센서(S1)의 온(on) 또는 오프(off) 신호와 제2홀센서(S2)의 온(on) 또는 오프(off) 신호를 결합하여, 이동자(50)의 절대위치 신호를 획득할 수 있다.
위치측정자석(86)은 길이 방향(y축 방향)으로 서로 같은 크기의 2개로 형성되고, 이웃하는 2개의 위치측정자석(86)의 피치(Pp)는 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정된다(Pp=Pt/3).
절대위치 측정보드(85)에 구비되는 제2홀센서(S2)의 제2피치(P2)는 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정된다(P2=Pt/3). 즉 제2홀센서(S2)의 제2피치(P2)는 이웃하는 코일모듈들(20, 20)이 설정하는 코일모듈 피치(Pmm)와 동일하다(P2=Pmm). 제1, 제2홀센서(S1, S2)는 서로 매칭된다.
제2홀센서(S2)는 위치측정자석(86)과 상호 작용하는 자기장 값을 전압 신호로 선형적으로 변환하여 나타낸다. 즉 이동자(50)가 이동함(도 5의 실선에서 이점쇄선 또는 이점쇄선에서 실선 상태로)에 따라 이동자(50)에 장착된 위치측정자석(86)으로 인하여 프레임(10)에 설치된 절대위치 측정보드(85)에 구비된 제2센서(S2)의 전압신호가 바뀐다. 이 바뀐 전압신호를 이용하여 별도로 구비되는 제어부(90)(도 7 참조)는 위치 정보를 획득한다.
제2홀센서(S2)의 제2피치(P2)를 코일모듈 피치(Pmm)에 일치시키고(P2=Pmm), 매칭되는 제1, 제2홀센서(S1, S2)의 온(on) 또는 오프(off) 신호를 이용하므로 원하는 영역만의 자기장 사용이 가능하다. 그리고 자기장 값을 전압신호로 전환함으로써 절대 위치 정보의 획득이 가능하다.
예를 들어서, 제2홀센서(S2)의 제2피치(P2)는 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/2로 설정되는 추력자석 피치(Pm=Pt/2)만큼 끊어서 사용할 수 있다. 따라서 제2홀센서(S2)의 제2피치(P2) 영역 밖에서는 방향을 확인할 수 없고, 방향 확인을 위하여 별도의 신호가 더 필요하다.
즉 제2홀센서(S2)는 측정할 수 있는 자기장의 세기, 자기장의 왜곡, 전압 노이즈 성분 등으로 인하여 위치 정밀도에 한계를 가지고 있다. 제2홀센서(S2)는 짧은 거리에 다수를 배치하여야 보다 높은 정밀도를 획득할 수 있다.
도 6은 본 발명의 도 2의 우측면도이다. 도 2 및 도 6을 참조하면, 엔코더(엔코더 헤드(53)와 엔코더 스케일(54))는 제2홀센서(S2)의 수량을 줄이고, 엔코더와 드라이버(70)를 연결하는 제어부(90)와의 입, 출력 장치를 간소화하면서 위치 정밀도를 높일 수 있게 한다. 즉 엔코더 헤드(53)와 엔코더 스케일(54)은 제2홀센서(S2)의 단점을 보완할 수 있다.
일례로써, 이동자(50)에 리니어 엔코더 스케일(54)을 설치하고, 정밀 제어가 필요한 특정 구간의 프레임(10)에 엔코더 헤드(53)를 부착한다. 따라서 특정 구간 동안 제2홀센서(S2)를 이용한 피드백 제어에서, 엔코더 헤드(53)와 엔코더 스케일(54)을 이용한 피드백 제어로 스위칭하므로 정밀 위치 제어가 수행될 수 있다.
엔코더 스케일(54)이 이동자(50)에 부착되므로 이동자(50)에서 제어 케이블이 제거될 수 있다. 엔코더는 제2홀센서(S2)만으로 구현할 수 없는 높은 정밀도의 제어 구간을 구현한다. 따라서 일 실시예는 인라인 시스템에서 정밀 칩 마운팅 및 정밀 가공 등 이동자(50)의 정밀 위치 제어를 필요로 한 구간에 효과적으로 적용될 수 있다.
도 7은 엔코더(엔코더 스케일과 엔코더 헤드)를 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 모터 제어 시스템의 구성도이다. 도 7을 참조하면, 리니어 모터 제어 시스템은 고정자를 구성하는 코일모듈(20), 코일모듈(20)을 구동시키는 드라이버(70), 드라이버(70)에 스위칭 신호를 입력하는 제1홀센서(S1), 엔코더 신호를 발생시키는 엔코더(53, 54), 위치 신호를 발생시키는 제2홀센서(S2), 엔코더 신호와 위치 신호를 드라이버(70)에 인가하는 제어부(90)를 포함한다.
리니어 모터 제어 시스템은 기본적인 위치 제어 및 구동에 절대 위치 센서의 역할을 하는 제2홀센서(S2)로 리니어 홀 센서를 이용하고, 정밀 제어가 필요한 구간에서는 엔코더로 피드백 신호를 스위칭 하므로 높은 정밀도로 위치 제어를 수행할 수 있다.
이하에서 본 발명의 일 실시예에 대한 변형예에 대하여 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에서 코일모듈과 추력자석의 배치 관계를 도시한 변형예의 단면도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에서 추력자석과 스위칭 홀센서(제1홀센서)의 관계를 도시한 변형예의 평면도이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에서 스위칭 홀센서(제1홀센서)와 리니어 홀센서(제2홀센서)의 관계를 도시한 변형예의 평면도이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 길이 방향(y축 방향)으로 배치되는 3개의 코일모듈(20)은 단위 코일모듈 피치(Pt)를 설정한다. 따라서 이웃하는 코일모듈들(20, 20)은 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정된다(Pmm=Pt/3).
단위 코일모듈 피치(Pt)에 대응하여, 추력자석(260)은 길이 방향(y축 방향)으로 제1길이(L1)를 가지는 제1자석(261)과 제1길이(L1)의 1/2크기의 제2길이(L2)를 가지는 제2자석(262)과 제3자석(263)을 포함한다. 따라서 이웃하는 2개의 추력자석의(261과 262 및 261과 263) 피치(Pm2)는 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/2로 설정된다(Pm2=Pt/2).
3개의 코일모듈(20)을 포함하는 단위 코일모듈 피치(Pt)에 대하여 추력자석(260)은 3개로 배치된다. 3개의 추력자석(260)은 코일모듈(20)을 향하여 서로 다른 극성을 가진다.
즉 도 8에서, 좌측의 제2자석(262)은 코일모듈(20)을 향하여 S극성을 가지며, 중간의 제2자석(261)은 코일모듈(20)을 향하여 N극성을 가지고, 우측의 제3자석(263)은 코일모듈(20)을 향하여 3극성을 가진다. 따라서 이웃하는 코일모듈들(20, 20)의 극성이 제어되어 추력자석들(262, 261, 263)의 S극성 및 N극성과 상호 작용한다.
코일모듈들(20, 20)의 3상 전환에 따라, 코일모듈들(20, 20)과 추력자석들(260) 사이에 인력과 척력이 생성 및 소멸하면서 추력자석(260)이 장착되는 이동자(50)는 프레임(10) 상에서 길이 방향(y축 방향)으로 이동된다(도 10의 이섬쇄선에서 실선 또는 실선에서 이점쇄선 상태로).
홀스위칭 보드(80)에 구비되는 제1홀센서(S1)의 제21피치(P21)는 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정된다(P21=Pt/3). 즉 제1홀센서(S1)의 제21피치(P21)는 이웃하는 코일모듈들(20, 20)이 설정하는 코일모듈 피치(Pmm)와 동일하다(P21=Pmm).
제1홀센서(S1)는 드라이버(70)가 코팅모듈들(20)을 3상 전환 제어하도록 신호를 제공한다. 이때, 제1홀센서(S1)의 제21피치(P21)와 코일모듈 피치(Pmm)가 동일(P21=Pmm)하므로 제1홀센서(S1)는 추력자석(260)과 상호 작용하여 추력자석(260)과의 사이에서 작용하는 자기장을 이용하여 온 또는 오프 작동된다. 따라서 종래에 홀센서와 작용하여 자기장을 일으키던 홀 스위칭 자석이 제거될 수 있다.
추력자석(260)의 배열에 따라 제1홀센서(S1)와의 자기장이 변화하므로 추력자석(260)에 배열에 맞추어 제1홀센서(S1)가 스위칭 작용한다. 제1홀센서(S1)의 스위칭 신호에 따라 드라이버(70)는 코일모듈들(20)의 3상 전환을 제어한다.
제1홀센서(S1)의 온 또는 오프 신호와 제2홀센서(S2)의 온(on) 또는 오프(off) 신호를 결합하여, 이동자(50)의 절대위치 신호를 획득할 수 있다.
위치측정자석(286)은 길이 방향(y축 방향)으로 제1길이(L1)를 가지는 제1위치자석(861)과 제1길이(L2)의 1/2크기의 제2길이(L2)를 가지는 제2위치자석(862)과 제3위치자석(863)을 포함하고, 이웃하는 2개의 위치측정자석(286)의 피치(Pp2)는 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정된다(Pp2=Pt/3).
절대위치 측정보드(85)에 구비되는 제2홀센서(S2)의 제22피치(P22)는 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정된다(P22=Pt/3). 즉 제2홀센서(S2)의 제22피치(P22)는 이웃하는 코일모듈들(20, 20)이 설정하는 코일모듈 피치(Pmm)와 동일하다(P2=Pmm). 제1, 제2홀센서(S1, S2)는 서로 매칭된다.
제2홀센서(S2)는 위치측정자석(286)과 상호 작용하는 자기장 값을 전압 신호로 선형적으로 변환하여 나타낸다. 즉 이동자(50)가 이동함에 따라 이동자(50)에 장착된 위치측정자석(286)으로 인하여 프레임(10)에 설치된 절대위치 측정보드(85)에 구비된 제2센서(S2)의 전압신호가 바뀐다. 이 바뀐 신호를 이용하여 별도로 구비되는 제어부(90)(도 8 참조)는 위치 정보를 획득한다.
제2홀센서(S2)의 제22피치(P22)를 코일모듈 피치(Pmm)에 일치시키고(P2=Pmm), 매칭되는 제1, 제2홀센서(S1, S2)의 온(on) 또는 오프(off) 신호를 이용하므로 원하는 영역만의 자기장 사용이 가능하다. 그리고 자기장 값을 전압신호로 전환함으로써 절대 위치 정보의 획득이 가능하다.
예를 들어서, 제2홀센서(S2)의 제22피치(P22)는 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/2로 설정되는 추력자석 피치(Pm=Pt/2)만큼 끊어서 사용할 수 있다. 따라서 제2홀센서(S2)의 제22피치(P22) 영역 밖에서는 방향을 확인할 수 없고, 방향 확인을 위하여 별도의 신호가 더 필요하다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 프레임 11, 12: 측벽
13: 바닥 20: 코일모듈
21: 코일요크 22: 코일
30: 가이드 레일 40: 블록
50: 이동자 51, 52: 외측벽
53: 엔코더 헤드 54: 엔코더 스케일
60: 추력자석 61: 자석요크
70: 드라이버 80: 홀스위칭 보드
85: 절대위치 측정보드 86, 286: 위치측정자석
90: 제어부 260: 추력자석
261: 제1자석 262: 제2자석
263: 제3자석 861: 제1위치자석
862: 제2위치자석 863: 제3위치자석
L1, L2: 제1, 제2길이 P1, P21: 제1, 제21피치
P2, P22: 제2, 제22피치 Pm, Pm2: 추력자석 피치
Pmm: 코일모듈 피치 Pp, Pp2: 위치측정자석의 피치
Pt: 단위 코일모듈 피치 S1: 제1홀센서(스위칭 홀센서)
S2: 제2홀센서(리니어 홀센서)

Claims (11)

  1. 바닥과 양 측벽을 가지고 길이 방향으로 신장되는 프레임;
    상기 바닥 상에 상기 길이 방향을 따라 반복적으로 배치되어 고정자를 형성하는 복수의 코일모듈;
    상기 양 측벽 상에 상기 길이 방향에 교차하는 폭 방향으로 배치되어 상기 길이 방향으로 이동하는 이동자;
    상기 이동자의 하측에 장착되어 상기 코일모듈에 선택적으로 대응하는 추력자석; 및
    상기 양 측벽 중 일 측벽의 내면에 장착되어, 드라이버가 상기 코일모듈들을 상 전환 제어하도록 상기 추력자석에 대응하는 자기장으로 작동되는 제1홀센서를 구비하는 홀스위칭 보드
    을 포함하는 리니어 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양 측벽 상에 구비되는 제2홀센서를 구비한 절대위치 측정보드; 및
    상기 이동자의 하측에 장착되어 상기 제2홀센서에 대응하는 자기장을 일으키는 위치측정자석
    을 더 포함하는 리니어 모터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이동자는
    상기 폭 방향 양단에서 상기 양 측벽의 외면에 마주하는 외측벽을 구비하며,
    상기 양 측벽 중 한 측벽은 외면에 엔코더 헤드를 구비하고,
    상기 외측벽은 상기 엔코더 헤드에 마주하는 엔코더 스케일을 구비하는
    리니어 모터.
  4. 제2항에 있어서,
    길이 방향으로 배치되는 3개의 상기 코일모듈로 설정되는 단위 코일모듈 피치(Pt)에 대응하여,
    상기 추력자석은
    길이 방향으로 서로 같은 크기의 2개로 형성되고,
    이웃하는 2개의 추력자석 피치(Pm)는
    상기 코일모듈 피치(Pt)의 1/2로 설정되는(Pm=Pt/2)
    리니어 모터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 홀스위칭 보드에 구비되는 제1홀센서의 제1피치(P1)는
    상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정되는(P1=Pt/3)
    리니어 모터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 위치측정자석은
    길이 방향으로 서로 같은 크기의 2개로 형성되고,
    이웃하는 2개의 위치측정자석의 피치(Pp)는
    상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정되는(Pp=Pt/3)
    리니어 모터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 절대위치 측정보드에 구비되는 제2홀센서의 제2피치(P2)는
    상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정되는(P2=Pt/3)
    리니어 모터.
  8. 제2항에 있어서,
    길이 방향으로 배치되는 3개의 상기 코일모듈로 설정되는 단위 코일모듈 피치(Pt)에 대응하여,
    상기 추력자석은
    길이 방향으로 제1길이를 가지는 제1자석과 상기 제1길이의 1/2크기인 제2길이를 가지는 제2자석과 제3자석을 포함하며,
    이웃하는 2개의 추력자석의 피치(Pm2)는
    상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/2로 설정되는(Pm2=Pt/2)
    리니어 모터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 위치측정자석은
    길이 방향으로 제1길이를 가지는 제1위치자석과 상기 제1길이의 1/2크기인 제2길이를 가지는 제2위치자석과 제3위치자석을 포함하며,
    이웃하는 2개의 위치측정자석의 피치(Pp2)는
    상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정되는(Pp2=Pt/3)
    리니어 모터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 절대위치 측정보드에 구비되는 제2홀센서의 제22피치(P22)는
    상기 단위 코일모듈 피치(Pt)의 1/3로 설정되는(P22=Pt/3)
    리니어 모터.
  11. 고정자를 구성하는 복수의 코일모듈;
    상기 코일모듈을 구동시키는 드라이버;
    이동자에 구비되는 추력자석과의 상호 작용으로 설정되는 자기장으로 상기 코일모듈의 상 전환 신호를 발생시키도록 상기 드라이버에 스위칭 신호를 입력하는 제1홀센서;
    고정자와 이동자 사이의 일부 구간에 구비되어 엔코더 신호를 발생시켜 상기 코일모듈을 피드백 제어로 스위칭시키는 엔코더;
    이동자에 구비되는 위치측정용 자석과의 상호 작용으로 설정되는 자기장으로 이동자의 위치 신호를 발생시키는 제2홀센서; 및
    상기 엔코더 신호와 상기 위치 신호를 상기 드라이버에 인가하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 드라이버는
    상기 제어부에서 인가되는 신호 및 상기 제1홀센서로부터 인가되는 상기 스위칭 신호로 상기 코일모듈을 제어하는
    리니어 모터 제어 시스템.
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