KR101331436B1 - 양방향 전자석 스프링으로서의 선형 음성 코일 액튜에이터 - Google Patents

Abstract

"전자석 스프링" 특성은 하우징, 필드 조립체 및 코일의 일부 또는 전부의 기하학적 형태, 위치, 및/또는 인가되는 전류의 크기 및 방향을 신중하게 선택하는 것에 의하여 음성 코일 액튜에이터에서 얻어질 수 있으며; 예를 들어, 사전 결정된 양방향 스프링 특성은 하우징과 필드 조립체의 상대 치수의 적절하고 신중한 선택에 의해 제공될 수 있으며, 스프링 특성은 하우징의 단부에 위치된 반경 방향으로 자화된 자석, 또는 연성 자석 연장부(extension)와 같은 구조물의 추가를 통하여, 및/또는 코일 조립체의 선택된 크기 및 방향의 전류를 인가하는 것에 의하여 더욱 변경될 수 있다.

음성 코일 액튜에이터, 스프링 특성, 양방향 전자석 스프링

Description

양방향 전자석 스프링으로서의 선형 음성 코일 액튜에이터{LINEAR VOICE COIL ACTUATOR AS A BI-DIRECTIONAL ELECTROMAGNETIC SPRING}

본 출원은 35 U.S.C. §119(e) 하에서 2005년 12월 7일자 출원된 미국 임시출원 제60/748,278호로부터 우선권을 주장한다.

본 발명은 대체로 선형 음성 코일 액튜에이터에 관한 것이고, 특히 양방향 전자석 스프링 특성을 구비한 선형 음성 코일 액튜에이터에 관한 것이다.

가동성 자석을 구비한 전형적인 선형 음성 코일 액튜에이터에 있어서, 가동성 필드 조립체(moving field assembly)는 연성 자석(soft magnetic) 하우징에 부착된 고정 코일 조립체(stationary coil assembly)와 함께 이용된다. 연성 자석 하우징은 또한 자기 회로를 위한 백 아이언(back iron)으로서 작용한다. 필드 조립체는 전형적으로 2개의 연성 자석 극성편 사이에 샌드위치되고 축선 방향으로 자화된 원통형 자석으로 구성된다. 코일 조립체는 자석 실린더 또는 하우징에 부착된 코일 베이스의 원형 캐비티에 위치된 몇 개의 코일로 형성될 수 있다. 통상, 이러한 자석 실린더의 축선 방향 길이는 주어진 필드 조립체 길이와 스트로크를 위해 최소화된다. 전형적으로, 다른 영향은 고려되지 않는다.

본 출원과 동일한 발명자에 의해 발명되고 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제6,815,846호 및 제 6,831,538호는 신장 또는 압축시에 "일방향" 기계적인 스프링에 유사하게 보일 수 있는 스프링 특성을 가지는 선형 음성 코일 액튜에이터를 개시한다.

사전 결정된 양방향 스프링 특성이 하우징과 필드 조립체의 상대 치수의 적절하고 신중한 선택에 의하여 선형 음성 코일 액튜에이터 구성에 제공될 수 있다는 것이 알려졌다. 스프링 특성은 하우징의 단부에 위치된 반경 방향으로 자화된 자석, 또는 연성 자석 연장부(extension)와 같은 구조물의 추가를 통하여, 및/또는 코일 조립체의 선택된 크기 및 방향의 전류를 인가하는 것에 의하여 더욱 변경될 수 있다.

본 발명의 한 실시예는 연성 자석 재료로 만들어지고 길이(Lh)를 가지는 하우징, 하우징에 위치된 코일 조립체, 코일 조립체에 대해 상대 이동하기 위하여 하우징에 위치되고 길이(Lf)를 가지며 축선 방향으로 자화된 자석을 포함하는 필드 조립체를 포함하는 선형 액튜에이터로서, Lh와 Lf 사이의 차이는, 코일에 전원이 인가되지 않았을 때 필드 조립체와 하우징 사이에 사전 결정된 힘을 제공하도록 선택된다. 추가의 실시예에서, 코일 조립체는, 코일에 전원이 인가되지 않았을 때 하우징에 있는 필드 조립체의 위치로부터 오프셋되는 지점에서 하우징에 위치된다.

본 발명의 또 다른 실시예는 연성 자석 재료로 만들어진 하우징, 하우징에 위치된 코일 조립체, 코일 조립체에 대해 상대 운동을 하기 위해 하우징에 위치되며, 축선 방향으로 자화된 자석을 포함하는 필드 조립체를 포함하는 선형 액튜에이터로서, 힘은 코일에 전원이 인가되지 않았을 때 필드 조립체와 하우징 사이에 제공되며, 코일 조립체에 전원이 인가되지 않았을 때 필드 조립체가 코일 조립체로부터 오프셋된 위치를 가지거나 취하도록 하우징의 한쪽 단부에 위치되고, 선택된 축선 방향 길이를 가지도록 자석 재료로 만들어진 하우징 연장부를 추가로 포함한다. 이러한 실시예의 선형 액튜에이터에 있어서, 자석 재료는 연성 자석 링일 수 있다. 대안적으로, 자석 재료는 적절하게 선택된 극성의 반경 방향으로 자화된 자석일 수 있다.

상기의 실시예는 하우징에 위치되고, 하우징에서 이동하기 위한 필드 조립체를 지지하는 표면을 가지는 지지 구조물을 추가로 포함할 수 있다. 지지 구조물은 플라스틱으로 형성될 수 있다. 플라스틱은 Teflon, PEEK, Delrin, Ultem의 상표 하에서 판매되는 재료일 수 있다.

본 발명의 추가의 실시예는 연성 자성 재료로 만들어지고 길이(Lh)를 가지는 하우징, 하우징에 부착된 코일 조립체, 코일 조립체에 대해 상대 운동하기 위하여 하우징에 위치되고 길이(Lf)를 가지며 축선 방향으로 자화된 자석을 포함하는 필드 조립체를 포함하는 조립체로서, Lh와 Lf 사이의 차이는, 코일에 전원이 인가되지 않았을 때 필드 조립체와 하우징 사이에 사전 결정된 힘을 제공하도록 선택되며, 선택된 전류의 크기 및 방향이 조립체의 스프링 특성을 변경하도록 코일에 인가된다.

본 발명의 추가의 실시예는 연성 자석 재료로 만들어지고 길이(Lh)를 가지는 하우징, 하우징에 부착된 코일 조립체, 코일 조립체에 대해 상대 운동하기 위하여 하우징에 위치되고 길이(Lf)를 가지며 축선 방향으로 자화된 자석을 포함하는 필드 조립체를 포함하며, Lh와 Lf 사이의 차이는, 코일에 전원이 인가되지 않았을 때 필드 조립체와 하우징 사이에 사전 결정된 힘을 제공하도록 선택되며, 하우징 연장부가 하우징의 한 쪽 단부에 위치되고, 하우징 연장부는 조립체의 스프링 특성의 사전 결정된 변경을 제공하도록 치수화된다. 이 실시예의 조립체에서, 조립체의 스프링 특성의 추가의 사전 결정된 변경을 제공하도록 전류의 일정 크기 및 방향이 코일 조립체에 인가될 수 있다.

본 발명에 따른 선형 액튜에이터를 구성하기 위한 방법은 길이(Lh)를 가지도록 연성 자석 재료로 만들어진 하우징을 구성하는 단계, 하우징에 코일 조립체를 위치시키는 단계, 코일 조립체에 대해 상대 운동하기 위해 하우징에 위치되고 길이(Lf)를 가지며 축선 방향으로 자화된 자석을 포함하도록 필드 조립체를 구성하는 단계, 및 코일에 전원이 인가되지 않았을 때 필드 조립체와 하우징 사이에 사전 결정된 힘을 제공하도록 Lh와 Lf 사이의 차이를 선택하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 전자석 스프링을 구성하는 또 다른 방법은 길이(Lh)를 가지도록 연성 자석 재료로 만들어지는 하우징을 구성하는 단계, 하우징에서 코일 조립체를 지지하는 단계, 코일 조립체에 대해 상대 운동하기 위해 하우징에 위치되고 길이(Lf)를 가지며 축선 방향으로 자화된 자석을 포함하도록 필드 조립체를 구성하는 단계, 코일에 전원이 인가되지 않았을 때 필드 조립체와 하우징 사이에 사전 결정된 힘을 제공하도록 Lh와 Lf 사이의 차이를 선택하는 단계, 및 하우징의 한쪽 단부에 하우징 연장부를 위치시키는 단계를 포함하며, 상기 하우징 연장부는 전자석 스프링의 스프링 특성의 사전 결정된 변경을 제공하도록 치수화된다.

그러므로, 본 발명의 목적은 하우징과 필드 조립체의 상대 치수를 선택하는 것에 의하여 사전 결정된 양방향 스프링 특성을 구비한 선형 음성 코일 액튜에이터를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 사전 결정된 "전자석 스프링" 특성이 얻어지도록, 하우징, 필드 조립체 및 코일의 일부 또는 전부의 기하학적 형태 및 위치, 및 코일에 인가되는 전류의 크기 및 방향을 신중하게 선택하는 것에 의하여 선택된 스프링형 특성을 구비한 선형 액튜에이터를 제공하는데 있다.

본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징 및 이점은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면의 고려로 보다 용이하게 이해될 것이다.

도 1은 액튜에이터의 필요한 스프링 특성을 제공하도록 특별히 치수(D)가 선택되는 본 발명의 실시예를 도시한 도면.

도 2는 코일에 전원이 인가되지 않았을 때 상이한 치수(D)에 대해 본 발명에 따라서 제안된 액튜에이터의 실시예의 힘 대 스트로크의 패밀리를 도시한 도면.

도 3은 연장부 또는 편향 구조물(biasing structure)이 하우징의 한쪽 단부에 제공될 수 있는 본 발명의 추가의 실시예를 도시한 도면.

도 4는 도 3의 실시예에 있는 코일에 상이한 크기 및 특정 방향의 전류를 인가하는 효과를 도시한 도면.

도 1은 액튜에이터(10)에 대한 필요한 스프링 특성을 제공하도록 특별히 치수(D)가 선택되는 본 발명의 실시예를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 액튜에이터는 가동성 필드 조립체(12)와, 연성 자석 하우징(16)에 부착되는 고정 코일 조립체(14)를 포함할 수 있다. 연성 자석 하우징(16)은 또한 액튜에이터의 자기 회로를 위한 백 아이언으로서 작용한다. 필드 조립체(12)는 2개의 연성 자석 극성편(20, 22) 사이에 샌드위치되고 축선 방향으로 자화된 원통형 자석(18)을 포함한다. 코일 조립체는 자석 실린더(연성 자석 하우징(16))에 부착된 코일 베이스(24)의 원형 캐비티에 위치되는 코일(1, 2)을 포함한다.

코일(1, 2)이 제전될(de-energized) 때, 필드 조립체(12)는 자석 하우징(16)의 가장자리에 대해 등거리에 위치되는 평형 위치로 이동한다. 이러한 자석 튜브 또는 자석 하우징(16)의 길이를 선택하는 것에 의하여, 필드 조립체(12)의 "바람직한 위치"의 효과는 무시하거나 극히 현저하게 될 수 있다.

필요한 스프링 효과는, 필드 조립체(12)가 그 초기 위치에 있을 때, 필드 조립체(12)의 가장자리와 고정 자석 백 아이언(16)의 가장자리 사이에서 도 1에 도시된 거리(D)를 변화시키는 것에 의하여 한 실시예에서 달성된다. 거리(D)는 수학식 1과 같이 표현된다.

D = (연성 자석 하우징의 길이, Lh - 필드 조립체의 길이, Lf)/2

도 2는 코일에 전원이 인가되지 않았을 때 상이한 거리(D)에 대해 본 발명에 따라서 제안된 액튜에이터의 실시예에서 힘 대 스트로크 특성의 패밀리(family)를 도시한다. 예를 들어, 이 거리(D)가 0.43㎜로부터 5.75㎜로 변화될 때, 자석 중앙 위치로 필드 조립체(12)를 미는 힘은 20의 계수(factor)까지 강하되는 것을 알 수 있다.

또한, 코일에 선택된 크기 및 방향의 전류를 인가하는 것에 의하여 제공된 스프링 특성이 변경될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 스프링 특성뿐만 아니라 액튜에이터의 동작 특성에서의 변화는 필드 조립체(12)의 "바람직한 위치"에 대하여 코일(1, 2)의 위치를 변경하는 것에 의하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 코일(1, 2)이 필드 조립체(12)의 "바람직한 위치"에 집중되지 않고 벗어나는 경우에, 이러한 액튜에이터에서 전원이 인가된 코일에 의하여 만들어진 힘은 오프셋 거리의 함수로서 하우징 가장자리와 필드 조립체(12) 사이의 상호 작용에 의해 영향을 받게 된다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 추가의 실시예를 도시한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 연장 또는 편향 구조물(26)이 하우징의 한쪽 단부에 제공될 수 있다. 구조물(26)은 반경 방향으로 자화된 편향 자석 또는 연성 자석 링 또는 유사 구조물 일 수 있다. 도 3에서, 도시된 편향 구조물(26)은 하우징의 좌측 단부에 위치된다. 이러한 편향 구조물(26)을 위하여 반경 방향으로 자화된 편향 자석을 채택한 결과는 코일 전류(Ic)에 대해 0에 가깝고, 즉 스트로크 위치 0에서, 액튜에이터에서 발생된 예를 들어 대략 0.13 Lb의 음의 힘(negative force)인 것을 알 수 있다. 이러한 힘은 도시된 바와 같이 0.1인치의 스트로크에서 -0.007의 크기까지 증가하는 스트로크와 함께 증가한다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 바와 같이, 반경 방향으로 자화된 편향 자석의 극성은 전술한 편향 자석과 마주하는 축선 방향으로 자화된 자석에 따라서 선택되어, 멈춤력(detent, 흡인력)을 생성한다.

도 4는 또한 코일에 상이한 크기 및 특정 방향의 전류를 인가하는 효과를 도시한다. 그러므로, 도 4에 도시된 제안된 실시예에 대해, 0.24 암페어의 인가된 코일 전류는 상이한 스트로크에 대해 도시된 힘(정사각형을 사용하여)을 만드는 것이 예상된다. 이러한 인가된 전류에 대하여, 양의 방향으로 힘 대 스트로크 곡선을 변위시키는 합력이 만들어져서, 도시된 바와 같이, 대략 0.025in 이상의 스트로크 위치에 대해 양의 힘이 만들어지는 한편, 대략 0.025in 미만의 스트로크 위치에 대해 음의 힘이 나타나게 된다.

그러므로, 하우징, 필드 조립체, 및 코일의 일부 또는 전부의 기하학적 형태 및 위치, 및/또는 코일에 인가된 전류의 크기 및 방향을 선택하는 것에 의하여, "전자석 스프링"의 상이한 특성이 얻어질 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 추가의 실시예에서, 부품의 수를 최소화하기 위하여, 필드 조립체는 마찰을 감소시키도록 적절한 플라스틱 재료로 만들어진 코일 베이스의 표면 내측 상에서 슬라이딩하도록 구성될 수 있다. 적절한 플라스틱 재료의 예는 Teflon(미국 델라웨어, 윌밍톤에 소재하는 이.아이, 듀퐁 드 네모우르스(E.I. du Pont de Nemours)의 상표), PEEK(영국, 랭카셔에 소재하는 빅트렉스 피엘씨(Victrex PLC)의 상표), Delrin (미국, 델라웨어, 윌밍톤에 소재하는 이.아이, 듀퐁 드 네모우르스(E.I. du Pont de Nemours)의 상표), Ultem (미국, 뉴욕, 뉴욕 에 소재하는 제너럴 일렉트릭 컴퍼니의 상표)의 상표하에서 제조되는 재료를 포함한다.

하나의 실시예에서, 코일에서의 전류의 양 및 크기에 의해 제어되는 양방향 전자석 스프링으로서 고려될 수 있는 액튜에이터가 제공되는 것을 유념하여야 한다. 이러한 액튜에이터 특징이 채택될 때, 이러한 것이 적용에 따라 요구되면, 기계적인 스프링을 사용할 필요가 없다.

본 명세서에서 제공된 설명이 본 발명의 예를 기술하도록 원통형 구성을 사용하였지만, 원통형과 다른 형상이 본 발명의 사상 내에서 계획되는 것을 이해할 것이다. 또한, 위에서 제공된 예들이 2개의 코일을 사용할지라도, 다른 수의 코일이 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 것이다. 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 또한 다른 필드 조립체가 상기된 특정 구성 너머로 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

본 명세서에서 채택된 용어 및 표현은 기술의 조건이지 제한의 조건은 아니며, 도시되고 기술된 특징의 등가물 또는 그 일부를 배제하는 이러한 용어 및 표현의 사용으로 의도한 것은 아니며, 청구된 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다는 것을 인식할 것이다.

Claims (17)

1. 연성 자석 재료로 만들어지고 길이(Lh)와 제 1 단부와 제 2 단부를 가지는 하우징;

   상기 하우징의 내벽에 부착된 코일 조립체;

   상기 하우징의 길이(Lh)의 방향에 평행한 방향으로 상기 코일 조립체에 대해 상대 이동하기 위하여 상기 하우징 내에 위치되고 길이(Lf)를 가지며 축선 방향으로 자화된 자석을 포함하는 필드 조립체; 및

   상기 하우징의 제 1 단부 또는 제 2 단부에 위치되며 자석 재료로 만들어진 하우징 연장부;를 포함하고,

   상기 필드 조립체의 축선 방향은 상기 하우징의 길이(Lh)의 방향과 상기 필드 조립체의 길이(Lf)의 방향에 평행하고,

   Lh와 Lf 사이의 차이는, 상기 코일 조립체에 전원이 인가되지 않았을 때 상기 필드 조립체와 상기 하우징 사이에 사전 결정된 힘을 제공하도록 선택되고,

   상기 하우징 연장부는 상기 코일 조립체에 전원이 인가되지 않았을 때 상기 필드 조립체가 상기 필드 조립체에 관련된 평형 위치로부터 오프셋된 위치를 취하도록 선택된 축선 방향 길이를 가지며, 상기 평형 위치는 상기 하우징의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 등거리에 위치되는 것인, 선형 액튜에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코일 조립체는 상기 코일에 전원이 인가되지 않았을 때 상기 하우징에 있는 필드 조립체의 위치로부터 오프셋된 지점에서 상기 하우징에 위치되는 선형 액튜에이터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징에 위치되고, 상기 하우징에서 이동하기 위한 상기 필드 조립체를 지지하는 표면을 가지는 지지 구조물을 추가로 포함하는 선형 액튜에이터.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 지지 구조물은 플라스틱으로 형성되는 선형 액튜에이터.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 플라스틱은 Teflon, PEEK, Delrin, Ultem의 상표 하에서 판매되는 재료로부터 선택되는 선형 액튜에이터.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서, 상기 자석 재료는 연성 자석 링인 선형 액튜에이터.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 자석 재료는 상기 자석 재료의 축선 방향에 대해 수직인 반경 방향으로 자화된 자석인 선형 액튜에이터.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 연성 자석 재료로 만들어지고 길이(Lh)를 가지는 하우징;

    상기 하우징의 내벽에 부착되어 상기 하우징에 의해 지지되는 코일 조립체;

    상기 하우징의 길이(Lh)의 방향에 평행한 방향으로 상기 코일 조립체에 대해 상대 운동하기 위하여 상기 하우징 내에 위치되고 길이(Lf)를 가지며 축선 방향으로 자화된 자석을 포함하는 필드 조립체를 포함하고, 상기 필드 조립체의 축선 방향은 상기 하우징의 길이(Lh)의 방향과 상기 필드 조립체의 길이(Lf)의 방향에 평행하고,

    Lh와 Lf 사이의 차이는 코일에 전원이 인가되지 않았을 때 상기 필드 조립체와 상기 하우징 사이에 사전 결정된 힘을 제공하도록 선택되며;

    자석 재료로 만들어진 하우징 연장부가 상기 하우징의 한 쪽 단부에 위치되고, 상기 하우징 연장부는 상기 조립체의 스프링 특성의 사전 결정된 변경을 제공하도록 치수화되며, 상기 하우징 연장부는 상기 코일 조립체에 전원이 인가되지 않았을 때 상기 필드 조립체가 상기 필드 조립체에 관련된 평형 위치로부터 오프셋된 위치를 취하도록 선택된 축선 방향 길이를 가지며, 상기 평형 위치는 상기 하우징의 상기 한 쪽 단부와 다른 쪽 단부 사이에서 등거리에 위치되는 것인, 선형 액튜에이터.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 조립체의 스프링 특성의 추가의 사전 결정된 변경을 제공하도록 전류의 크기 및 방향이 상기 코일 조립체에 인가되는 선형 액튜에이터.
15. 삭제
16. 길이(Lh)와 제 1 단부와 제 2 단부를 가지도록 연성 자석 재료로 만들어지는 하우징을 구성하는 단계;

    상기 하우징의 내벽에 코일 조립체를 부착시켜 상기 하우징 내에서 상기 코일 조립체를 지지하는 단계;

    상기 하우징의 길이(Lh)의 방향에 평행한 방향으로 상기 코일 조립체에 대해 상대 운동하기 위해 상기 하우징 내에 위치되고 길이(Lf)를 가지며 축선 방향으로 자화된 자석을 포함하도록 필드 조립체를 구성하는 단계;

    코일에 전원이 인가되지 않았을 때 상기 필드 조립체와 상기 하우징 사이에 사전 결정된 힘을 제공하도록 Lh와 Lf 사이의 차이를 선택하는 단계; 및

    상기 하우징의 제 1 단부 또는 제 2 단부에 자석 재료로 만들어진 하우징 연장부를 위치시키는 단계를 포함하며;

    상기 하우징 연장부는 전자석 스프링의 스프링 특성의 사전 결정된 변경을 제공하도록 치수화되고, 상기 필드 조립체의 축선 방향은 상기 하우징의 길이(Lh)의 방향과 상기 필드 조립체의 길이(Lf)의 방향에 평행하고, 상기 하우징 연장부는 상기 코일 조립체에 전원이 인가되지 않았을 때 상기 필드 조립체가 상기 필드 조립체에 관련된 평형 위치로부터 오프셋된 위치를 취하도록 선택된 축선 방향 길이를 가지며, 상기 평형 위치는 상기 하우징의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 등거리에 위치되는 것인, 전자석 스프링 구성 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 하우징 연장부를 위치시키는 단계는 상기 하우징 연장부의 축선 방향에 대해 수직인 반경 방향으로 자화된 자석의 하우징 연장부를 형성하는 단계를 포함하는, 전자석 스프링 구성 방법.

Images