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가. 모터 설계 스테핑
- 모터의 설계기술은 구조 및 제작기술과 영구자석형 스테핑 모터, 하이브리드형 스테핑 모터 등으로 분류된다.
(1) 구조 및 제작기술
'81년 Oriental Motor Co.에서 출원하여 '83년 등록된 미국특허 4385247호는 기본 스텝 각도를 작게 하여 속응성이 뛰어나며 스텝 동작이 안정되도록 하였고, '84년 Honeywell Inc.에서 출원하여 '86년 등록된 미국특허 4623809호는 자기 정렬 부분의 부품수를 줄여 자기 저항 경로를 줄이도록 하였으며, Aisan Kogyo에서 '91년 출원하고 등록된 미국특허 5073735호는 하우징을 몰드시킨 기술이고, '91년 Brother Kogyo에서 출원하여 '92년 등록된 미국특허 5121017호는 코일과 요크를 하나의 고정자 부재 안으로 집적하는 제조방법을 제시하였으며, 이후 '92년 North American Philips Co.에서 출원하여 '93년 등록된 미국특허 5254892호는 스테핑 모터가 간단한 모듈형 구조를 갖도록 하여 조립이 간단하도록 하였다.
특성기술과 관련된 특허로서, '88년 Matsushita Electric Ind.에서 출원하여 '90년 등록된 미국특허 4970423호는 소형화에 적합하고 미세 위치 조절 및 높은 토크특성을 갖도록 하였고, '85년 North American Philips Co.에서 출원하여 '87년 등록된 미국특허 4672247호는 코일 전류의 각 방향에 대하여 동일한 스텝 거리를 가져 동일-토크를 갖도록 하였으며, '86년 Canon Inc.에서 출원하여 '95년 등록된 일본특허 2003932호는 정지위치에서 코깅 토크가 덜 발생하도록 하여 위치 결정 정밀도를 향상시켰고, '88년 Canon에서 출원하여 '90년 등록된 미국특허 4972109호는 토크 조절을 할 수 있어 셋 위치에서 쉬 이탈되는 것을 방지하도록 하였으며, '91년 미국특허 5291084호는 토크의 변동을 제거함으로써 회전시의 정밀도를 향상시켰다.
한편, 소형화를 위한 기술로 '90년 출원되고 '91년 등록된 미국특허 5038088호(출원인: Gregory E. Arends 외1)가 있고, 이후 '93년 Mitsubishi Materials Co.에서 출원하여 '98년 등록된 일본특허 2734936호는 모터 외경이 소형화되고 극치를 미리 고정밀도로 일체 성형한 요크부재를 사용하여 소형화를 달성하였다.
위 기술들에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 미국특허 4623809호[그림 3.1-4-1]은 특별한 어셈블리 장치를 필요로 하지 않고 단순히 자기 정렬 부분이 최소 개수를 가져 부분 어셈블리는 임계 허용편차에 속하지 않고, 부분간에 접촉이 확고하여 부분들 사이의 낮은 자기저항 경로를 얻을 수 있도록 하였다.
미국특허 4972109호[그림 3.1-4-2]는 작은 토크를 갖는 모터에서 모터의 구동전류가 차단되면 유지된 토크는 작기 때문에 외부적 요인에 의하여 셋 포지션에서 쉽게 이탈되는 종래의 단점을 제거하고, 토크를 조절할 수 있다.
제작방법으로는, 미국특허 5121017호는 몰드면과 코일과 요크와 함께 눌러진 면에 의하여 밀봉된 공간에 경화성 물질을 제공함으로써, 코일과 요크를 하나의 고정자 멤버 안으로 집적하는 기술이고, 미국특허 5038088호는 스테핑 모터 시스템의 동작변수를 모니터링 할 수 있고, 종래 기술의 스테핑 모터 시스템보다 크기와 중량을 상당히 줄일 수 있다.
하우징에 관한 것으로 미국특허 5073735호는 기설정된 표준 거리 Ho가 정확한 값으로 제어될 수 있는 양질의 몰드된 하우징을 갖고, 고정자 코일로부터 인입된 전기선의 단선 없는 몰딩에 의하여 형성되고 몰딩 동안 야기되는 단선 없이 단자 플레이트에 연결될 수 있게 형성되는 하우징을 갖는다.
미국특허 5291084호[그림 3.1-4-3]은 토크의 변동을 제거함으로써 회전 정밀도를 향상시키고, 스테핑 모터의 여기 위상의 수에 따라 모터의 구동 펄스폭을 제어함으로써 회전속도에 있어서 비균일성을 감소시키며 토크를 줄여서 일정한 속도의 회전을 달성할 수 있다.
미국특허 5384506호는 카메라 렌즈통의 직경을 줄임으로써, 구동 토크의 발생을 줄일 수 있는 구조를 갖고, 카메라의 노출 동작동안 렌즈의 움직임에 필요한 여기를 수행하지 않고 렌즈의 이동 동작에 사용할 수 있는 구조를 제시하였다.
일본특허 2734936호는 스테핑 모터 외경이 소형화되고, 극치를 미리 고정밀도로 일체 성형한 요크부재를 사용함으로써, 위치 결정 공정이 삭감되어 조립성이 대폭 향상되어, 모터 회전시의 각도 정밀도가 개선되었다.
(2) 영구자석형 스테핑 모터
'83년 Japan Servo Co.에서 출원하여 '90년 등록된 일본특허 1562499호는 축방향의 두께를 엷게 하여 출력을 크게 하였으며, '88년 Oki Electric Ind.에서 출원하여 '89년 등록된 미국특허 4823038호는 새로운 구조의 요크 및 폴 구조로 향상된 토크 특성을 갖도록 하였다. '88년 Minebea Co.에서 출원하여 '89년 등록된 미국특허 4841190호는 레진이 채워진 영구자석을 사용하여 고 정밀도 및 제품간의 편차를 줄이고 큰 토크를 내도록 하였고, '91년 Japan Servo Co.에서 출원하여 2000년 등록된 일본특허 3140814호는 3상3극의 구조를 도입하여 진동을 줄였고, '97년 Japan Servo Co.에서 출원하여 2000년 등록된 일본특허 3131403호는 원통형상의 회전자를 사용하여 소음·진동을 줄였다.
이들에 대하여 구체적으로 살펴보면, 일본특허 1562499호는 축방향의 두께를 얇게 하여, 큰 출력을 제공하는 기술이고, 미국특허 4823038호[그림 3.1-4-4]는 코일의 권선수를 증가시킬 수 있는 새로운 구조의 요크 및 폴 구조를 갖는 영구자석 회전자를 내장함으로써 향상된 토크 수용력을 갖는 스테핑 모터에 관한 발명이다.
미국특허 4841190호는 효율적으로 조립하고 고도의 정밀도를 갖는 레진을 채운 영구자석 스테핑 모터를 제공함으로써, 제품간의 편차가 적고 커다란 토크를 얻을 수 있다.
일본특허 3131403호[그림 3.1-4-5]는 고정자 코일의 상수를 3상으로 함으로써 종래의 2상과 비교하여 스텝각을 작게 할 수 있어, 스테핑 모터의 분해능을 높일 수 있고, 3상의 영구자석형 스테핑모터의 1상 여자구동이 가능해지며 원통형상의 영구자석 회전자이기 때문에, 진동·소음을 작게 할 수 있다.
(3) 하이브리드형 스테핑 모터
'90년 Japan Servo Co.에서 출원하여 '91년 등록된 미국특허 4983867호는 회전자가 다수의 기어모양의 돌출극을 갖는 두 개의 회전플레이트 구조로 정밀도를 증가시켰고, '91년 Oriental Motor Co.에서 출원하여 '97년 등록된 일본특허 2599061호는 최대 토크를 발생시키기 위해 고정자의 외경 대비 내경의 비를 0.62∼0.64로 특정하였으며, '92년 Oriental Motor Co.에서 출원하여 2001년 등록된 일본특허 3182196호는 2상 스테핑 모터에 비해 진동, 분해능, 고속성이 우수하고 5상 스테핑 모터에 비해 회로가 단순한 3상 하이브리드형 스테핑 모터를 제시하였고, '93년 Minebea Co.에서 출원하여 '94년 등록된 미국특허 5374865호는 측면에 하나의 폴캡을 갖고 축방향으로 자화된 영구자석을 갖는 회전자와 토크의 변화를 최소로 감소시키기 위한 극수를 형성하는 권선을 가져 토크의 경화를 개선시켰다.
이들에 대하여 구체적으로 살펴보면, 일본특허 2599061호[그림 3.1-4-6]은 고정자의 내외경 비를, 각각, 2상의 경우 0.62∼0.64, 5상의 경우 0.605∼0.625으로 하여 상기 모터의 고정자외경 치수에서 원래 발생되는 최대 토크를, 상기 모터의 회전자에서 얻음과 동시에, 주어진 상기 외경치수에서 최대 토크가 얻어지는 고정자 내경을 용이하게 결정할 수 있도록 하였다.
일본특허 3182196호 [그림 3.1-4-7]은 3상 하이브리드형 스테핑 모터에서 12개의 고정자 돌극, 교대에 배치되는 상기 각 돌극에 마련된 각 고정자 치의 수, 상기 고정자 치군의 중심으로 이루어진 피치각 및 회전자 치수가 서로 일정한 관계를 만족하도록 구성되기 때문에, 2상 스테핑 모터에 비교하여, 진동, 분해능 및 고속성이 뛰어나고, 동시에 2상, 5상 스테핑 모터에 비교하여, 그 구동회로가 단순하다.
[그림 3.1-4-7] 피치각 및 회전자 치수가 일정 관계를 유지 [일본특허 3182196호]
미국특허 5374865호[그림 3.1-4-8]은 다중 하이브리드형 스테핑 모터에 관한 것으로 토크의 변화를 최소로 감소시켜 토크의 경화를 개선시킴으로써 회전 중에 공명진동을 감소시킨다.
[그림 3.1-4-8] 토크의 경화를 개선한 다중 하이브리드형 스테핑 모터 [미국특허 5374865호]
나. 구동회로 및 제어기술
(1) 구동회로기술
'81년 Fuji Xerox Co.에서 출원하여 '92년 등록된 일본특허 1649911호는 전류파형을 사다리꼴로 근사하여 진동이 적은 스텝운전이 가능토록 하였고, '81년 Fuji Xerox Co.에서 출원하여 '88년 등록된 일본특허 1467662호는 동일형상의 모터로 2배의 토크를 낼 수 있도록 하였으며, '82년 Fuji Xerox Co.에서 출원하여 '88년 등록된 일본특허 1444271호는 부하의 상태에 따라 최적의 여자방식으로 운전되도록 하였다.
'85년 NEC Co.에서 출원하여 '97년 등록된 일본특허 2613872호는 정속 기간 중에는 구동 속도에 따라 펄스폭을 변화시켜 최적운전, 안정적이며 고효율 운전이 되도록 하였다. '87년 Janome sewing Machine Co.에서 출원하여 '91년 등록된 미국특허 5063339호는 패턴 발생기회로에 의해 오동작시에도 구동회로 및 모터가 정지하거나 동작이 저하되는 것을 방지하도록 하였고, '88년 Secoh Giken Inc.에서 출원하여 '98년 등록된 일본특허 2745412호는 출력토크가 여자전류에 정비례하도록 하였으며, '90년 Citizen Watch Co.에서 출원하여 '91년 등록된 미국특허 5041773호는 여자코일에 공급되는 여자 전류를 균일하게 하여 스텝 각도의 정확성을 향상시켰고, '93년 Canon에서 출원하여 '96년 등록된 미국특허 5485070호는 PWM 구동회로와 동일한 특성을 유지하면서도 복잡하지 않는 회로를 제시하였다.
위 기술들에 대하여 구체적으로 살펴보면, 일본특허 1649911호[그림 3.1-4-9]는 각 상의 여자간격을 일정이 아닌 시간간격으로 하여, 각각 4개의 여자상태로 이루어지는 2개의 싸이클을 되풀이함으로써 각 상의 코일에 흐르는 실제의 전류파형을 사다리꼴에 근사시키기 때문에, 진동이 적은 스텝대응을 실현할 수 있고, 1-2상여자의 순서로 스테핑 모터를 제어하기 때문에 회로구성을 비교적 간단하게 할 수 있다.
그림 3.1-4-9] 스테핑 모터를 1-2상여자의 순서로 제어 [일본특허 1649911호]
일본특허 1444271호는 여자회로로 W1-2상여자의 순서와 일부 생략하여 실행시키는 것에 의해, 각종의 여자방식으로 스테핑 모터의 구동을 할 수 있어, 부가적 상태나 요구되는 회전속도에 응해서 구동을 최적화할 수 있다.
일본특허 2613872호는 자려 초퍼 방식과 펄스폭을 프로그램할 수 있는 타려 초퍼방식을 병용하는 것에 의해, 가감속 동안은 자려초퍼의 작동에 의해 설정치에 대응하는 정전류 초퍼 구동에 의해, 안정 없이도 서지가 발생하지 않는 구동이 가능해지고, 한편 정속 기간 중에는, 펄스폭을 그 구동속도에 응해서 변화할 수 있기 때문에 여러 가지의 운전속도에 응해서, 최적의 부하응답의 설정이 가능하다. 양 구동방식의 병용에 의해, 안정되고 고효율 구동이 가능해지며, 또한, 타려초퍼회로의 이상시, 즉, 펄스폭의 증대, 또는, 연속 온상태가 생겨도 자려초퍼가 코일에 대한 연속적인 과전류상태를 방지하여 코일이 보호된다.
미국특허 5063339호는 구동 디바이스에 관한 것으로 패턴 발생기회로의 어떠한 오동작에도 구동회로 및 모터가 정지하거나 동작이 저하되는 것을 방지하고, 모터 구동장치는 여기 전류 파형 또는 위상 가 서로 반대되는 낮은 레벨로 동작하고 할당된 신호에 대응되는 각각의 제어라인에 의하여 모터 권선에 공급되도록 고안되어, 패턴 발생기 회로가 오동작을 하는 경우 위상 이 동시에 턴-온되지 않고 드라이버 및 모터의 중단 및 저하가 발생하지 않도록 한다.
미국특허 5041773호[그림 3.1-4-10]은 여자코일에 공급되는 여자 전류의 불균일한 발생을 방지하며 여자 전류의 불균일성에 기인하여 발생하는 에러를 방지함으로써 스텝핑 각도를 제어함에 있어서 정확도를 향상시킬 수 있다.
[그림 3.1-4-10] 여자 전류의 불균일한 발생을 방지하여 제어정확성을 향상 [미국특허 5041773호]
미국특허 5485070호는 종래의 하드웨어 구성으로 가속을 할 경우 단지 적은 편차를 갖고, 복잡하지 않은 회로를 갖는 반면 PWM 구동회로와 동일한 정도의 응답성을 유지하고 전류 검출 저항에 의하여 소모된 전력이 PWM 구동회로에 비하여 동일한 정도를 갖는 스테핑 모터에 대한 고효율의 구동 제어 시스템을 제공한다.
(2) 제어기술
'83년 AIDA Eng Ltd.에서 출원하여 '89년 등록된 일본특허 1477213호는 속도 지령회로의 출력펄스의 주파수를 변화시켜 스테핑 모터의 회전속도를 임의로 변화시킬 수 있으며, '83년 IBM에서 출원하여 '84년 등록된 미국특허 4480218호는 영구자석 스테핑 모터에서 영구자석에 의해 유기된 역기전력을 직접 측정한다.
'85년 Gerhard Berger에서 출원하여 '87년 등록된 미국특허 4658194호는 폐루프 제어를 통해 모터 토크의 미세 제어가 가능하고, '85년 Mitsubishi Denki에서 출원하여 '87년 등록된 미국특허 4642544호는 적은 소음 및 진동으로 구동하며 속도와 부하에 비례하여 토크를 제어하며, '84년 Dataproducts Co.에서 출원하여 '86년 등록된 미국특허 4591774호는 폐회로 시스템으로 고성능 증분 모션 제어를 수행한다. '90년 Robert Bosch에서 출원하여 '92년 등록된 미국특허 5117171호는 가감속시 적은 진동과 적은 소음의 특성을 갖도록 펄스의 시퀀스 제어 및 듀티비를 변화시켜 스테핑 모터를 제어하고, '89년 Canon Inc.에서 출원하여 '98년 등록된 일본특허 2771617호는 전류테이블을 이용하여 정역전의 구동제어를 행하고, '90년 NEC에서 출원하여 '97년 등록된 일본특허 2621633호는 정역전 후 제어용 첫 번째 제어 클럭 펄스 입력시 여자를 하여 동작속도를 향상시킨다.
'91년 ALPS Electric Co.에서 출원하여 '99년 등록된 일본특허 2978594호는 헤드를 정밀도가 높게 원하는 트랙에 이송할 수 있도록 1-2상 여자하는 제어방식이고, '92년 Matsushita Electric Ind.에서 출원하여 '94년 등록된 미국특허 5283510호는 3상 스테핑 모터의 스텝 구동을 미세하게 행하는 기술이며, '97년 엘지전자에서 출원하여 '2000년 등록된 한국특허 253004호는 속도에 따라 전압을 분압하여 토크를 보상한다. '98년 삼성전자에서 출원하여 '2001년 등록된 한국특허 294213호는 가감속 패턴을 기준으로 지정된 해상도에 따라 회전속도를 제어한다.
위 기술들에 대하여 구체적으로 살펴보면, 미국특허 4658194호[그림 3.1-4-11]은 스테핑 모터용 폐루프 제어회로로 모터가 가능한 최대의 토크로 가속되거나 감속되는 경우에 토크의 미세 제어가 가능하다.
그림 3.1-4-11] 스테핑 모터용 폐루프 제어회로 [미국특허 4658194호]
미국특허 5117171호는 광범위한 응용분야에서 충분하게 이용할 수 있도록 간단하고 경제적인 보다 적은 저킹(jerking) 및 소음 없는 가감속을 제공하는 스테핑 모터에 관한 것으로서, 몇몇 펄스의 시퀀스 또는 많은 전류 펄스는 모터의 회전 스텝의 각각에 대하여 제공되고, 각각의 시퀀스는 펄스에서 펄스로의 듀티비를 지속적으로 증가시키며, 펄스와 구간을 더한 주기가 일정한 주기를 갖도록 한다.
일본특허 2978594호는 헤드가 어느 쪽 방향에서 재구동되더라도, 헤드는 항상 어느 쪽 한편부터 불감대에의 돌입궤적과 거의 동일궤적을 따르도록 설정하여, 거의 동일위치에 정지시키도록 함으로써, 스테핑 모터의 불감대내에서의 정지위치의 이력현상이 작게 되어, 헤드를 정밀도 좋게 원하는 트랙에 이송할 수 있다.
미국특허 5283510호는 단순한 회로의 구성으로 효율적으로 미세한 스텝구동까지 할 수 있는 3상 스테핑 모터를 구동하는 방법을 제안하였고, 한국특허 253004호는 스테핑 모터의 토크 보상장치에 관한 것으로 공조기에서 루버(Louver)를 구동하는 스테핑모터의 속도조절시에 스테핑모터의 토크를 스테핑모터의 속도에 따라 조절하도록 한다.
한국특허 294213호 [그림 3.1-4-12]는 스테핑 모터의 제어방법 및 장치에 관한 것으로 하나의 가감속패턴을 기준으로 하여 모든 해상도에 적용할 수 있는 최종속도데이터를 저장매체에 저장하고, 사용자에 의해 지정된 해상도에 대응하는 최종속도 데이터만을 검출하여 스테핑 모터의 회전속도를 제어함으로써, 간단하고 안정된 제어과정을 수행할 수 있다.
[그림 3.1-4-12] 하나의 가감속패턴을 기준으로 사용하는 스테핑 모터의 제어방법 [한국특허 294213호] |
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