KR20060074355A - 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터는 비자성 재료로 제작되는 케이싱; 케이싱내에 배치되며, N극 및 S극으로 이루어진 영구자석으로서 적어도 상기 케이싱의 상부와 중앙부에 서로 대향하도록 위치하는 적어도 두 개의 영구자석(6a,6b)과 상기 케이싱의 하부와 중앙부에 서로 대향하도록 위치하는 적어도 두 개의 영구자석(6c,6d); 비자성재료로 제작되며, 상기 영구자석(6a,6b)사이의 공간에 삽입되도록 연장되며 코일이 권취된 상부코일부, 상기 영구자석(6c,6d)사이의 공간에 삽입되도록 연장되며 코일이 권취된 하부코일부 및 외부의 구동기구와 연결된 가이드부를 포함하는 가동코일부; 그리고 상기 상부코일부 및 하부코일부의 각각의 코일에 전류를 공급하는 전류입력단자를 포함하는 것을 특징으로 함으로써 선형성이 우수하고 구조가 간단한 선형 액츄에이터를 제공한다.

Description

가동 코일 타잎 선형 액츄에이터{Moving coil type linear actuator}

도 1은 본 발명의 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터의 내부 분해 사시도;

도 2는 본 발명의 케이싱의 전체 외관을 도시한 사시도;

도 3은 본 발명의 액츄에이터의 전진 운동 작용을 도시하는 내부 분해 단면도;

도 4는 본 발명의 액츄에이터의 후퇴 운동 작용을 도시하는 내부 분해 단면도; 그리고

도 5는 영구자석간의 갭을 도시한 본 발명의 액츄에이터의 내부 분해 단면도; 그리고

도 6은 본 발명의 코일의 배치 원리를 모식적으로 나타낸 구성도이다.

본 발명은 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터에 관한 것이다.

최근 많이 활용되는 선형 액츄에이터에는 피에조(piezo)형 선형 액츄에이터, 펄스모터 구동식 선형 액츄에이터, 비례 전자식 선형 액츄에이터가 있다. 피에조형 선형 액츄에이터는 작은 구조로 부드럽게 운동하며 마찰과 백래쉬 현상(부재간의 맞물림이 관성의 영향으로 어긋나서 유동하는 현상)이 거의 없으나, 가격이 비싸고 마이크로나 나노 영역의 미세 제어에 활용되어 일반적인 유압, 공압 시스템에는 적용하기 어려운 단점이 있다. 펄스모터 구동식 선형 액츄에이터는 백래쉬가 거의 없는 간단한 기계 구조이고 개방 루프 타잎의 제어로 고정밀도로 위치 결정이 가능하며 유지 보수가 용이한 장점이 있으나, 위치 결정의 정밀도가 치차의 기계적 가공 정밀도와 가동자의 지지기구에 의해 결정되므로 초정밀 조립 기술이 필요한 단점이 있다. 또, 비례 전자식 선형 액츄에이터는 작은 부품 구조로서 선형성이 만족스러우며 구동력이 크고 소변위의 직선 운동이 가능한 장점이 있으나, 자기장 변화의 특성이 불안정하고, 선형성의 특성 유도를 위한 해석 및 제작이 어렵다는 단점이 있다.

더욱, 선행 기술의 액츄에이터의 문제점을 개괄하여 살펴 보면, 기계 구조가 복잡하며 가동자의 관성이 커서 신속 응답성이 떨어지고, 소형으로 제작시 선형성을 유지하면서 공압/유압 시스템으로의 적용시 구동력을 크게 하기 어려운 단점이 있다.

이로부터, 고에너지 밀도의 자기회로 구성을 하기 위해서는 잔류 자속 생성을 위한 보조장치 및 기타 시스템이 구비되어야 하며, 일반적이고 범용적인 공압/유압 시스템 구동을 위한 선형성의 구동력을 확보하는 제어 기법이 필요한 것이 선행기술의 요청이었다고 할 수 있다.

그러므로, 본 발명은 간단한 기계 구조를 가지며, 가동자의 관성이 적어 속 음성이 뛰어나고 고에너지 밀도의 자기 회로 구성이 가능하며, 소형의 저가형으로 제작하여 일반적인 공압/유압 시스템에 적용할 수 있는 새로운 구조의 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터는 비자성 재료로 제작되는 케이싱; 케이싱내에 배치되며, N극 및 S극으로 이루어진 영구자석으로서 적어도 상기 케이싱의 상부와 중앙부에 서로 대향하도록 위치하는 적어도 두 개의 영구자석(6a,6b)과 상기 케이싱의 하부와 중앙부에 서로 대향하도록 위치하는 적어도 두 개의 영구자석(6c,6d); 비자성재료로 제작되며, 상기 영구자석(6a,6b)사이의 공간에 삽입되도록 연장되며 코일이 권취된 상부코일부, 상기 영구자석(6c,6d)사이의 공간에 삽입되도록 연장되며 코일이 권취된 하부코일부 및 외부의 구동기구와 연결된 가이드부를 포함하는 가동코일부; 그리고 상기 상부코일부 및 하부코일부의 각각의 코일에 전류를 공급하는 전류입력단자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 본 발명의 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터는 상기 영구자석(6a,6b,6c,6d)을 지지하는 상부, 중앙 및 하부의 코어부를 가지며, 케이싱의 내부에 밀착하여 설치되는 자성 재료로 된 지지코어를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터(1)의 내부 분해 사시도이 다. 본 발명의 액츄에이터의 대부분은 전면부(204)를 가진 역“ㄷ”자 형상의 케이싱(2)에 의하여 둘러싸여 있다. 케이싱(2)은 도2에 도시한 것과 같이 전면부(204) 중앙에 가이드홀(206)이 형성된 대략 직육면체 형상으로 제작된다. 본 발명의 케이싱(2)은 액츄에이터의 작동상 비자성재료로 제작될 필요가 있다. 케이싱(2)의 후미벽(202)과 상부 및 하부벽(200,200)의 상당 부분에 걸쳐서는 이들 벽과 인접하여 자성재료로 제작되는 지지코어가 설치된다. 지지코어는 역 “E"자형으로서, 지지부(300)의 상단, 중앙 및 하단의 각 지점에서 분기되어 케이싱을 따라 연장된 상부코어(302), 중앙코어(304) 및 하부코어(302‘)를 포함한다. 상부코어(302)의 전방하부에는 N극과 S극의 자석(61a,62a)으로 이루어진 한쌍의 영구자석(6a)이 배치되고, 중앙코어(304)의 전방 상부 및 하부면 각각에는 역시 N극과 S극의 자석(61b,62b; 61c,62c)으로 이루어진 각각의 영구자석(6b,6c)가 배치되고, 하부코어(302’)의 전방상면에는 N극과 S극의 자석(61d,62d)으로 이루어진 한쌍의 영구자석(6d)이 배치되고 있다. 이들 자석의 배치는 중앙코어(304)를 기준으로 상하 대칭인 것을 알 수 있는데, 이는 액츄에이터의 정합되고 균형잡힌 이동을 위하여 필요한 것이다.

또, 상기 케이싱(2)의 전면부(204)의 관통홀을 통해서는 전류 입력을 위한 한쌍의 단자부(51,52)가 설치되어 있다.

본 발명의 액츄에이터(1)의 가동코일부(3)는 원통형의 가이드부(31)와 가이드부(31)의 하단에서 두 개로 분기되어 연장되는 상부코일부(32) 및 하부코일부(33)로 이루어진다. 본 발명의 가동코일부는 비자성재료로 제작된다. 상부코일부(32) 및 하부코일부(33) 각각에는 코일(32‘,33’)이 권취되어 있다. 상부코일부 (32)는 상부코어(302) 및 중앙코어(304)사이의 빈 공간 안으로 충분히 삽입되며, 하부코일부(33)는 하부코어(302‘) 및 중앙코어(304)사이의 빈 공간 안으로 충분히 삽입됨으로써 상기 코일(32’)은 영구자석(6a,6b)과 대향하고, 상기 코일(33‘)은 영구자석(6c,6d)와 대향하고 있다. 또, 코일(32’)은 전류입력단자(51)와 케이블로 연결되고, 코일(33‘)은 전류입력단자(52)와 케이블로 연결되어 있다.

본 발명의 코일(32', 33')은 도1에서는 각각의 코일부(32,33)에 랜덤하게 권취된 것으로 도시되었으나, 도6에 도시한 것과 같이 (+)단자에서 (-)단자를 향하여 혹은 (-)단자에서 (+)단자를 향하여 한쪽 방향으로 일관되게 권취되어야 플레밍의 법칙을 원활히 따를 수 있음을 유의하여야 한다.

본 발명의 가동코일부(3)는 후술하는 것과 같이 전류의 입력으로 전후로 선형 이동하는 부재로서 도시하지 않은 공압/유압 시스템에 연결되어 그 운동에 의하여 구동력을 부여한다.

또, 케이싱(2)의 가이드홀(206)주위에는 볼 베어링(4)이 설치되어 가동코일부(3), 즉 가이드부(31)의 전후 선형 이동을 부드럽게 안내하고 있다.

이하, 본 발명의 액츄에이터(1)의 작용을 도3 및 도4를 참조로 설명한다. 도3 및 도4에서 코일의 도시는 코일에 작용하는 전류의 방향을 나타내기 위하여 편의상 그 도시를 생략하였다.

도3에서 전류입력단자(51)에 (+)전류가 인가되고, 단자(52)에는 (-)전류가 인가되어 있다. (+)전류는 코일(32‘)에 공급되며, (-)전류는 코일(33’)에 공급된다. 그런데, 가동코일부(3)는 비자성재료로 제작되므로, 전류가 가동코일부를 따 라 이동하지 못하는 결과, 도3에 도시한 것처럼, 코일(32‘)에 흐르는 (+)전류는 도면의 수직 위로 상승하며, 코일(33’)에 흐르는 전류는 도면의 수직 아래 방향으로 하강한다. 코일(32‘.33’)간에 가교되는 전류의 흐름은 도면에서 화살표(A)로 표시되었다.

또, 코일(32‘)을 사이에 둔 영구자석(6a,6b)간에 있어 자기장은 화살표(M)방향으로 작용하며, 코일(33‘)을 사이에 둔 영구자석(6c,6d)간에 있어 자기장은 화살표(M')방향으로 작용한다.

그러므로, 플레밍의 왼손 법칙에 의하여 가동코일부(3)의 상부코일부(32)는 화살표(F1)와 같이 도면의 왼쪽 방향으로 힘을 받으며, 하부코일부(33)역시 화살표(F2)와 같이 도면의 왼쪽 방향으로 힘을 받게 된다. 본 발명의 액츄에이터(1)는 상하 대칭 구조를 이루므로 상기 힘(F1,F2)의 크기는 같으며, 따라서 가동코일부(3)는 안정적이고 밸런스 있게 볼베어링(4)에 의해 지지되면서 전방으로 선형 이동하게 된다.

여기서 소정 시간의 경과 후에 도4와 같이, 전류입력단자(51)에 (-)전류가 인가되고, 단자(52)에 (+)전류가 인가되면, 상기와 반대의 작용으로 플레밍의 왼손 법칙에 의하여 상부코일부(32)는 화살표(F1‘)와 같이 도면의 오른쪽 방향으로 힘을 받으며, 하부코일부(33)역시 화살표(F2’)와 같이 도면의 오른쪽 방향으로 힘을 받게 된다. 따라서 가동코일부(3)는 안정감있고 밸런스 있게 볼베어링(4)에 의해 지지되면서 후방으로 선형 이동하게 된다.

이와 같이 본 발명의 액츄에이터는 전류의 극성을 소정 시간을 두고 전환함 으로써 코일이 있는 가동부의 선형 운동을 가져오도록 하며, 작동힘이 일정하도록 조절하고 있으므로, 질량계, 예를 들어 공압/유압시스템에서의 공압/유압을 우수하게 선형 제어 할 수 있는 점에 특징이 있다.

본 발명의 액츄에이터에 있어 힘의 크기는 코일의 권취수, 자석의 투자율, 전류의 세기등에 의한 영향을 받지만 도5에 도시한 것과 같이 상부코일부(32)와 하부코일부(33) 및 각각의 대향하는 영구자석 간의 거리(d,d')에 의한 영향을 크게 받는다. 그 이유는 이 갭의 크기에 의하여 자기장의 세기가 증감되기 때문이다. 따라서, 본 발명의 액츄에이터는 상기 갭(d,d')의 거리를 적절히 제어함으로써 균일하고 선형성에 정합하는 구동력을 확보할 수 있다는 이점을 가진다.

이상, 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하였지만, 본 발명은 실시예로 한정되지 않으며, 이하에 기술하는 청구범위의 기술 사상내에서 다양한 변경이 가능하다.

이상 기술한 본 발명의 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터는 액츄에이터가 이동하더라도 작용힘이 일정하도록 하고 있으므로, 공압/유압시스템에서의 공압/유압을 효율적으로 선형 제어할 수 있으며, 간단한 기계 구조로서 부품수를 줄일 수 있고, 자기회로나 보조장치와 같은 부속 설비를 필요로 하지 않으므로 원가 절감에 기여한다는 우수한 효과를 발휘한다.

Claims (2)

1. 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터로서, 상기 액츄에이터는

   비자성 재료로 제작되는 케이싱;

   케이싱내에 배치되며, N극 및 S극으로 이루어진 영구자석으로서 적어도 상기 케이싱의 상부와 중앙부에 서로 대향하도록 위치하는 적어도 두 개의 영구자석(6a,6b)과 상기 케이싱의 하부와 중앙부에 서로 대향하도록 위치하는 적어도 두 개의 영구자석(6c,6d);

   비자성재료로 제작되며, 상기 영구자석(6a,6b)사이의 공간에 삽입되도록 연장되며 코일이 권취된 상부코일부, 상기 영구자석(6c,6d)사이의 공간에 삽입되도록 연장되며 코일이 권취된 하부코일부 및 외부의 구동기구와 연결된 가이드부를 포함하는 가동코일부; 그리고

   상기 상부코일부 및 하부코일부의 각각의 코일에 전류를 공급하는 전류입력단자

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 영구자석(6a,6b,6c,6d)을 지지하는 상부, 중앙 및 하부의 코어부를 가지며, 케이싱의 내부에 밀착하여 설치되는 자성 재료로 된 지지코어를

   더 포함하는 것을 특징으로 하는 가동 코일 타잎 선형 액츄에이터.

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