[논문]영구자석 스프링과 보이스 코일 구동기를 가진 직선형 진동모터의 설계 및 해석

최정규; 유승열; 노명규

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.3.359

영구자석 스프링과 보이스 코일 구동기를 가진 직선형 진동모터의 설계 및 해석
Design and Analysis of Linear Vibration Motor Equipped with Permanent-Magnet Springs and Voice-Coil Actuators 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.3, 2013년, pp.359 - 364

최정규 (충남대학교 메카트로닉스공학과) , 유승열 (충남대학교 첨단수송체연구소) , 노명규 (충남대학교 메카트로닉스공학과)

초록
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직선형 진동모터가 휴대전화의 알림용이나 햅틱 인터페이스의 구동기로 적용되려면 빠른 응답속도와 긴 수명을 제공하여야 한다. 본 논문에서는 기존 직선형 진동모터를 개선하여 보이스 코일 구동기와 영구자석 스프링을 이용한 직선형 진동모터를 제시하고, 설계 제작하여 그 가능성을 검증하였다. Halbach 배열의 영구자석에 의해 구동되는 보이스 코일 구동기와 영구자석 간의 반발력을 이용하는 영구자석 스프링을 해석하고 설계하기 위해, 등가전류판 방법과 이미지 방법을 사용하였고, 방법의 적절성을 유한요소해석을 통해 검증하였다. 시작품 모터를 설계하고 제작하고, 실험을 통해 진동모터의 특성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to use a linear vibration motor for the actuator of a haptic interface, the motor must provide a higher reaction rate and longer service life than typical rotational motors with an eccentric mass. In this paper, we propose a linear vibration motor that is equipped with a voice-coil actuator and permanent-magnet springs. To concentrate the magnetic flux in the actuator, a Halbach-style magnetization pattern is used. Permanent-magnet springs replace mechanical springs to help increase the service life. We use the method of equivalent current sheets and the method of images to analyze and model the proposed vibration motor. These methods are validated using finite element analyses and experiments. A prototype motor is designed and fabricated. Tests with the prototype show the feasibility of the proposed linear vibration motor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

등가전류판 방법과 이미지 방법의 유효성을 확인하고 본 논문에서 제안하는 진동모터의 실효성을 확인하기 위해 시작품을 제작하였다. Fig.
본 논문에서는 기존 진동모터의 단점과 형태를 개선한 직선형 진동모터를 제안하였다. 이 진동모터는 높은 응답특성을 가지는 보이스 코일 구동기에 의해 구동되며, 영구자석 스프링을 사용하여 기계적 스프링에 비해 긴 수명과 신뢰성 향상을 기대할 수 있다.
직선형 진동모터는 회전형 진동모터에 비해 응답속도가 빠르며 크기를 줄일 수 있는 가능성이 높아 향후 스마트폰의 발전 방향에 부응하는 면이 있다. 본 논문에서는 기존의 직선형 진동모터의 형태를^(1~5) Halbach 자화패턴을 가지는 영구자석 진동자가 보이스코일에 의해 구동되고 영구자석 간의 반발력을 스프링으로 활용하는 형태로 개선하여 그 성능을 확인하고자 한다. 기계적 스프링 대신 영구자석 스프링을 사용함으로써 진동모터의 수명이 증대될 수 있으며 Halbach 자화패턴을 이용하여 보이스 코일에 작용하는 자기장을 극대화할 수 있다.

가설 설정

5(a)에 도시된 바와 같이 영구자석에서 d 만큼 떨어진 곳에 강자성체가 위치한 경우, Fig. 5(b)처럼 요크 대신 원래 영구자석에서 2d 만큼 떨어진 곳에 이미지 영구자석을 가정하면 요크 경계면에서 동일한 경계조건을 갖게 되며 관심 영역에서 동일한 자기장 분포를 가지게 된다.
의 식으로부터 구할 수 있다. 진동모터의 변위가 크지 않다는 가정 하에 구동 전류 및 주파수와 출력 변위 간의 관계는 전달함수 형태로 표현할 수 있다.

제안 방법

등가전류판이란 영구자석을 동등한 자기장을 발생하는 전류판으로 대체하는 방법으로서 공기와 같이 자기적으로 균질한 매질에서 해석적 방법으로 자기장의 분포를 구할 수 있다.^(9~10) 본 논문의 진동모터에서는 자기장의 집중을 위해 강자성 요크(yoke)가 사용되었으며 등가전류판에 의한 해석식을 사용하기 위해 이미지 방법을 도입하였다. 이미지 방법은 경계면에서 동일한 경계조건을 가지도록 강자성체를 다수의 이미지 영구자석으로 대체하는 방법이다.
등가전류판 방법에 의한 진동자와 고정자 영구자석 간의 강성계수 계산 또한 유한요소해석을 통하여 검증하였다. Fig.
본 논문에서는 제안하는 형태의 진동모터를 해석하고 설계하기 위해 등가전류판 방법(method of equivalent current sheet)과 이미지 방법(method of images)을 이용하여 해석식을 유도하고, 이를 유한요소해석 및 실험을 통해 검증하였다. 등가전류판이란 영구자석을 동등한 자기장을 발생하는 전류판으로 대체하는 방법으로서 공기와 같이 자기적으로 균질한 매질에서 해석적 방법으로 자기장의 분포를 구할 수 있다.
전류증폭기를 통해 특정한 주파수의 정현파 전류를 코일에 인가하고, 진동자에 부착된 가속도계로 가속도를 측정한다. 스펙트럼분석기를 이용하여 전류와 가속도의 구동 주파수 성분을 추출하고 가속도와 변위의 관계를 이용하여 변위를 계산한다. 구동 주파수를 변화시키며 위의 과정을 반복하여 전달함수를 구한다.
5 kA/m이다. 영구자석으로부터 요크 방향으로 1.5 mm 떨어져 있으며 영구자석의 폭과 동일한 길이를 가지는 가상의 선을 따라 y 방향의 자기장을 구하였다.
식 (7)로 표현되는 진동모터의 전달함수를 측정하였는데, 그 과정은 다음과 같다. 전류증폭기를 통해 특정한 주파수의 정현파 전류를 코일에 인가하고, 진동자에 부착된 가속도계로 가속도를 측정한다. 스펙트럼분석기를 이용하여 전류와 가속도의 구동 주파수 성분을 추출하고 가속도와 변위의 관계를 이용하여 변위를 계산한다.
이 진동모터는 높은 응답특성을 가지는 보이스 코일 구동기에 의해 구동되며, 영구자석 스프링을 사용하여 기계적 스프링에 비해 긴 수명과 신뢰성 향상을 기대할 수 있다. 진동모터를 해석하고 설계하기 위해 등가전류판 방법과 이미지 방법을 사용하였으며, 그 유효성을 유한요소해석 및 실험을 통해 확인하였다.
보이스 코일에 교류 전류가 인가되면 수평 방향으로 로렌츠 힘이 발생하여 왕복 운동이 만들어 진다. 진동자에 작용하는 수직 방향의 힘을 최소화하고 진동자와 진동자를 지지하는 안내면 간의 마찰을 최소화하기 위해 진동 모터는 수평축을 중심으로 대칭 구조이며 Fig. 1 은 대칭 부분을 생략하여 도시하였다.
해석적 방법을 통해 구한 자기장의 분포는 다음 절에서 기술할 시작품에서 측정한 결과와도 비교하였다. Fig.

대상 데이터

본 논문에서 제안하는 직선형 진동모터는 Fig.1에 도시된 바와 같이 진동자(vibrator)와 고정자(stator)로 구성되어 있다. 진동자는 영구자석의 조합으로 이루어져 있으며, 영구자석에 의해 생성된 자기장은 보이스 코일과의 상호 작용에 의해 수평방향 힘을 만들어 내고, 고정자 영구자석에 의한 자기장과 상호 작용하여 반발력을 만들어 낸다.

데이터처리

최소 자승 오차법(least squared error)을 이용하여 측정 결과로부터 전달함수 (7)의 파라미터를 추정하였으며 그 결과는 Table 2 에 요약되어 있다. 고유진동수는 11.

이론/모형

1 에서 볼 수 있듯이 본 논문에서 제안한 진동모터는 코일 영역에 자기장을 집중시키기 위해 강자성체 요크가 사용되었다. 앞서 기술한 등가전류판의 해석 방법을 강자성체가 존재하는 경우에도 적용하기 위하여 이미지 방법(method of images)을 사용하였다.⁽¹¹⁾

성능/효과

4 g)을 고려하면, 실험 결과는 유한요소해석 결과와 매우 유사함을 알 수 있다. 이미지 방법과 등가전류판에 의한 고유진동수는 12.4 Hz 로서 실험 결과와 6% 정도의 차이를 보여 준다. 이는 영구자석 자화강도의 불확실성, 불균일한 자화 정도, 측정 오차 등에 기인하는 것으로 추측된다.

후속연구

본 논문에서 제시한 진동모터를 휴대전화나 스마트폰과 같은 모바일 기기에 적용하려면 소형화 및 효율을 극대화하기 위한 최적 설계가 필요할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	진동모터는 무엇인가?	진동모터는 전자기적 힘을 이용하여 전기적 에너지를 기계적 진동에너지로 변환하는 부품이다. 직선 왕복운동을 하는 직선형 진동모터는 가진기,(1) 음향발생기,(2) 직선형 압축기(3) 등과 작동원 리가 유사하며 최근 휴대전화의 알림용으로 적용된 바가 있다.
	직선 왕복운동을 하는 직선형 진동모터는 무엇과 작동원리가 비슷한가?	진동모터는 전자기적 힘을 이용하여 전기적 에너지를 기계적 진동에너지로 변환하는 부품이다. 직선 왕복운동을 하는 직선형 진동모터는 가진기,(1) 음향발생기,(2) 직선형 압축기(3) 등과 작동원 리가 유사하며 최근 휴대전화의 알림용으로 적용된 바가 있다.(4,5)
	등가전류판 방법은 무엇인가?	본 논문에서는 제안하는 형태의 진동모터를 해석하고 설계하기 위해 등가전류판 방법(method of equivalent current sheet)과 이미지 방법(method of images)을 이용하여 해석식을 유도하고, 이를 유한요소해석 및 실험을 통해 검증하였다. 등가전류판이란 영구자석을 동등한 자기장을 발생하는 전류판으로 대체하는 방법으로서 공기와 같이 자기적으로 균질한 매질에서 해석적 방법으로 자기장의 분포를 구할 수 있다.(9~10) 본 논문의 진동모터에서는 자기장의 집중을 위해 강자성 요크(yoke)가 사용되었으며 등가전류판에 의한 해석식을 사용하기 위해 이미지 방법을 도입하였다.

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Furlani, E. P., 2001, Permanent Magnet and Electromechanical Devices, Academic Press: San Diego, pp. 185-190.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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