KR100356368B1

KR100356368B1 - 압전형 서보 밸브

Info

Publication number: KR100356368B1
Application number: KR1019990040115A
Authority: KR
Inventors: 황순철; 김선욱; 김태칠
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 포스코신기술연구조합
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2002-10-19
Also published as: KR20010028056A

Abstract

구조가 간단하며, 응답 속도 및 정밀도를 향상시킴으로써 실용성이 높은 압전형 서보 밸브를 제공하기 위하여, 노즐-플래퍼 증폭 기구를 이용한 서보 밸브에서 전기적 신호에 의해 구동되어 노즐의 배압을 달리함으로써 기계적 출력 신호로 전환하는 플래퍼를 내부 금속판과, 내부 금속판의 양면에 접합된 압전 소자와, 압전 소자의 바깥쪽 양면에 접합된 외부 금속판을 포함하는 압전 바이몰프 액츄에이터로 형성한 것으로, 영구 자석과 코일을 이용한 서보 밸브에 비하여 압전 바이몰프 액츄에이터를 플래퍼로 채용함으로써 구조가 간단하고, 전기적 입력 신호를 기계적 출력 신호로 전환하는 방식이 압전 소자 자체의 고유 특성인 역압전 효과를 이용하므로 종래의 서보 밸브에 비하여 응답 속도 및 정밀도가 월등히 뛰어나서 실용성이 높은 효과가 있다.

Description

압전형 서보 밸브{PIEZOELECTRIC SERVO VALVE}

본 발명은 서보 밸브(servo valve)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신호 전송, 보상 등은 전기적으로 하고 동력의 발생을 유압으로 하는 전기-유압식 서보 기구에서 서보 증폭기의 역할을 하는 압전형 서보 밸브에 관한 것이다.

일반적으로 서보 밸브는 유체의 흐름을 제어하는 스풀(spool)과, 전기적인 신호에 따라 스풀의 구동을 제어하는 토크 모터로 구성되며, 스풀 및 토크 모터의 구동방식에 따라 플래퍼(flapper)를 이용하는 노즐-플래퍼형과 무빙 코일(moving coil)을 이용하는 직동형으로 구분되어진다.

이러한 서보 밸브 중에서 노즐-플래퍼형 서보 밸브를 도 3을 참조하여 설명한다.

스풀(S)이 밸브바디에 형성되어 있는 슬리브 내를 습동하도록 설치되며, 밸브바디에는 작동유의 공급 라인(Ps)과 귀환 라인(R) 각각에 접속하는 슬롯이 가공되어 있고, 부하 구동을 위한 제어 포트(C1, C2)가 공급 라인(Ps)과 귀환 라인(R) 중간 영역에 각각 접속되어 있다.

스풀(S)의 양단에 연결되는 유로(1, 2)에는 각각 노즐(N1, N2)이 대향되게 접속되며, 노즐(N1)과 노즐(N2) 사이에는 노즐(N1, N2)에 가해지는 유체의 배압을 조절하는 플래퍼(20)가 설치되어 있다.

플래퍼(20)와 영구 자석으로 이루어진 토크 모터(10)의 아마츄어(11)는 일체형 구조로 된 플렉셔 튜브(21)로 지지되어 있으며, 노즐(N1, N2)과 플래퍼(20) 사이에 형성되는 오리피스(22)에는 귀환 라인(R)이 접속되어 있다.

이와 같이 구성된 노즐-플래퍼형 서보 밸브에서 플래퍼(20)의 위치가 좌우 노즐(N1, N2)과 평형을 이루고 있는 상태인 중립 상태일 경우, 작동유는 공급 라인(Ps)으로부터 유로(1, 2)를 경유하여 노즐(N1, N2)과 플래퍼(20) 사이에 형성되는 오리피스(22)로부터 귀환 라인(R)으로 계속 흐른다. 또한, 스풀(S)은 슬리브의 공급 라인(Ps)과 귀환 라인(R)을 막고 있으므로 제어 포트(C1, C2)에는 유체의 흐름이 없는 상태가 유지된다.

이 상태에서 밸브 구동을 위한 신호가 서보 밸브에 가해지면 토크 모터(10)의 코일에 전류가 흘러 아마츄어(11)에 자기적 극성이 형성되며, 아마츄어(11)는상하 자극과의 자기적 관계에 의해 입력 전류의 크기와 극성에 따라 발생한 토크에 의해 기울어진다.

그러면, 좌우 노즐(N1, N2)의 중간에 위치하고 있던 플래퍼(20)는 아마츄어(11)와 일체형이므로 아마츄어(11)의 기울기에 따라 변위하여 좌우 노즐(N1, N2)의 배압을 변화시킨다. 이때, 플래퍼(20)와 가까워진 쪽의 노즐(N1 또는 N2) 배압은 올라가고 멀어진 쪽의 노즐(N2 또는 N1) 배압은 내려가게 된다.

이와 같이 노즐(N1, N2) 배압의 불평형이 발생하게되면 노즐 배압은 스풀(S)의 구동력으로 변환되어 스풀(S)에 작용하게 되어 스풀(S)을 변위시키게 되고, 스풀(S)의 변위에 의해 공급 라인(Ps)으로부터 한 쪽의 제어 포트(C1 또는 C2)에 작동유가 흐르게 되며 동시에 다른 쪽의 제어 포트(C2 또는 C1)로부터 귀환 라인(R)으로 작동유가 흐르게 되어 밸브 구동이 이루어진다.

그러나, 이러한 종래의 노즐-플래퍼 서보 밸브는 토크 모터가 영구 자석과 코일 등으로 이루어져 구조가 복잡하고 소형화가 곤란하며, 토크 모터에 입력되는 전기적 신호의 출력단인 플래퍼의 기계적 신호로 변환하는 과정에서 응답 속도 및 정밀도에 한계가 있어 고속 및 정밀 제어가 요구되는 응용 분야에서는 실효성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 구조가 간단하며, 응답 속도 및 정밀도를 향상시킴으로써 실용성이 높은 압전형 서보 밸브를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전형 서보 밸브를 개략적으로 도시한 개략도이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전형 서보 밸브에서 압전 바이몰프 액츄에이터를 확대하여 도시한 개략도이며,

도 3은 종래의 일반적인 노즐-플래퍼형 서보 밸브를 개략적으로 도시한 개략도이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기적 신호에 의해 플래퍼를 구동하여 노즐의 배압을 달리함으로써 기계적 출력 신호로 전환하는 노즐-플래퍼 증폭 기구를 이용한 서보 밸브에 있어서, 내부 금속판과; 상기 내부 금속판의 양면에 접합된 압전 소자와; 상기 압전 소자의 바깥쪽 양면에 접합된 외부 금속판을 포함하는 압전 바이몰프(bimorph) 액츄에이터를 상기 플래퍼로 이용하는 것을 특징으로 한다.

상기 내부 금속판 및 압전 소자는 각각의 두께가 0.25mm 내지 1.0mm이며, 사각형 또는 자유 선단부가 좁아지도록 경사진 사다리꼴 형상을 갖도록 하는 것이 바람직하며, 상기 외부 금속판은 상기 압전 소자와 동일한 형상으로 길이/너비의 비가 2.0 내지 4.0가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명은 기존의 서보밸브와 동일한 방법으로 작동하며 기존의 노즐 플래퍼를 압전체를 이용한 압전 바이몰프 액츄에이터로 대체한 것을 기본으로 하는 것이므로 본 발명에 의한 서보밸브의 기본적인 구성은 기존의 서보 밸브의 구성과 유사하며 단지 압전 바이몰프 액츄에이터를 고정하고 이를 작동시키기 위한 구성에 다소 차이가 있다. 즉 본 발명에 의한 서보 밸브는 스풀과 이를 작동하기 위한 유로가 형성되어 있는 밸브바디와, 노즐이 형성되어 있는 노즐바디와, 압전 바이몰프 액츄에이터를 외부와 격리시키 위한 원통형 하우징과, 압전 바이몰프 액츄에이터를 고정시키는 고정단이 내장되는 해드바디 그리고 고정단의 개방된 상측을 밀폐시켜 주는 캡으로 구성되어 있는 것이다. 여기서 본 발명의 구성부품들인밸브바디, 노즐바디, 원통형 하우징, 해드바디 그리고 캡은 순차적으로 적층되어 볼트등과 같은 결합수단으로 전체 부품이 결합되며 각 부품 사이에는 유체의 누출을 방지하기 위하여 실링되어 있다.

그러나 이상 같은 본 발명에 의한 서보 밸브의 구성은 압전 바이몰프 액츄에이터를 설치한 본 발명의 구성을 보다 쉽게 이해하기 위하여 하나의 기술적 구성을 제시하는 것이며 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 수단과 동일한 기술적 수단을 실현하기 위하여 구성 부품들을 다양하게 설계를 변경하여 제작할 수 있다. 따라서 이하에 설명되는 본 발명의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전형 서보 밸브를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전형 서보 밸브에서 압전 바이몰프 액츄에이터를 확대하여 도시한 것이다.

도 1에 의하면 밸브바디에 형성되어 있는 슬리브 내를 스풀(S)이 습동하도록 설치하며, 슬리브에 작동유의 공급 라인(Ps)과 귀환 라인(R) 각각에 접속하는 슬롯을 가공하고, 부하 구동을 위한 제어 포트(C1, C2)가 공급 라인(Ps)과 귀환 라인(R) 중간 영역에 각각 접속되어 있다.

스풀(S)의 양단에 연결되는 유로(1, 2)에는 각각 노즐(N1, N2)을 대향되게 접속하며, 노즐(N1, N2) 상부에는 하우징(100)을 설치하여 노즐(N1)과 노즐(N2) 사이의 오리피스(22)를 형성하며, 오리피스(22)에는 귀환 라인(R)을 접속한다.

하우징(100)의 상부면에는 중앙부에 관통공이 형성된 요홈을 형성하고, 관통공에는 압전 바이몰프 액츄에이터(130)를 접속하며 요홈에는 압전 바이몰프 액츄에이터(130)의 한 쪽 선단을 고정시키는 고정단(120)을 요홈의 양측에 유격을 두고 설치하고, 하우징(100) 상부에는 캡(140)을 설치하여 오리피스(22)를 밀폐한다.

압전 바이몰프 액츄에이터는(130)는 도 2에서와 같이 내부 금속판(131)의 양면에 압전 소자(132, 133)를 접합한 후, 압전 소자(132, 133)의 바깥쪽 양면에 압전 소자(132, 133)보다 영률(young's moduli)이 높은 외부 금속판(134, 135)을 접합하여 형성한다. 압전 소자(132, 133)는 PZT로 불리우는 삼성분계인 Pb(Zr,Ti)O₃등과 같이 원료물질이 3종 이상 복합된 복합 산화물계 또는 압전특성을 향상시키기 위하여 PZT에 Pb(Mg,Nb)O₃조성의 PMN을 혼합한 PMN-PZT, Pb(Sb,Nb)O₃조성의 PSN을 혼합한 PSN-PZT, Pb(Co,Nb)O₃조성의 PCN을 혼합한 PCN-PZT, Pb(Ni,Nb)O₃조성의 PNN을 혼합한 PNN-PZT, Pb(Fe,Nb)O₃조성의 PFN을 혼합한 PFN-PZT 등을 사용하며, 특히 PMN-PZT계를 기본으로 Sr, Mn 등의 첨가제를 혼합하여 결정된 조성의 압전 소자를 사용한다. 그리고, 외부 금속판(134, 135)은 일반적인 PZT의 영률이 1.0×10¹⁰N/m³이므로, 이보다 영률이 높은 금속 재질을 사용하며, 특히 인청동(phosper copper, 1.137), 동(bronze, 1.101), 스테인레스304(STS304, 1.93)을 사용한다. 이때, 내부 금속판(131) 및 압전 소자(132, 133)는 압전 바이몰프 액츄에이터(130)의발생 변위 및 발생력이 상호 감쇄되지 않도록 각각의 두께가 0.25mm 내지 1.0mm의 범위내의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 압전 바이몰프의 두께가 0.25mm 이하인 경우에는 발생력이 작아지고 반대로 두께가 1.0mm 이상인 경우에는 발생 변위가 작아져서 서보 밸브용 플래퍼로 적용하기 곤란하기 때문이다. 그리고, 형상은 사각형 또는 자유 선단부가 좁아지도록 경사진 사다리꼴로 제작하는 것이 바람직하다. 또한, 압전 소자(132, 133)의 외부에 압전 소자보다 영률이 높은 외부 금속판(134, 135)을 압전 소자(132 133)와 동일한 형상으로 길이/너비의 비가 2.0 내지 4.0의 범위를 갖도록 접합하는 것이 바람직하다. 이는 동일 인가 전압에서 변위량의 감쇄없이 압전 바이몰프 액츄에이터(130)의 공진 주파수를 높여서 응답 속도를 향상시킬 수 있기 때문이다.

하우징(100)의 상부 양 측면에는 각 측면에서 요홈을 관통하도록 각각 나사(110, 111)를 결합하여 사용자가 나사(110, 111)를 조절하여 압전 바이몰프 액츄에이터(130)의 한 쪽 선단을 고정시키는 고정단(120)의 좌우 위치를 조절할 수 있도록 함으로써, 고정단(120)에 고정된 압전 바이몰프 액츄에이터(130)가 대향 설치된 노즐(N1, N2)의 정중앙에 위치하도록 조절할 수 있다. 그리고, 압전 바이몰프 액츄에이터(130)의 길이는 자유 선단부가 노즐(N1, N2)에서 배출되는 유체의 위치와 일치하여 액츄에이터의 변위에 따라 좌우 노즐(N1, N2)을 개폐하여 노즐 배압의 변화를 일으킬 수 있도록 조절한 후 고정한다.

그리고, 하우징(100) 상부 캡(140)을 통해 압전 바이몰프 액츄에이터(130)의 내부 금속판(131)과 외부 금속판(134, 135)에 제어 신호 라인을 접속한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 압전형 서보 밸브의 동작 과정을 설명한다.

먼저, 노즐-플래퍼 서보 밸브의 플래퍼에 대응되는 압전 바이몰프 액츄에이터(130)에 제어 신호 라인을 통한 제어 신호가 인가되지 않아 압전 바이몰프 액츄에이터(130)의 자유 선단부의 위치가 좌우 노즐(N1, N2)과 평형을 이루고 있는 중립 상태일 경우, 작동유는 공급 라인(Ps)으로부터 유로(1, 2)를 경유하여 노즐(N1, N2)과 압전 바이몰프 액츄에이터(130) 사이에 형성되는 오리피스(22)로부터 귀환 라인(R)으로 계속 흐른다. 또한, 스풀(S)은 슬리브의 공급 라인(Ps)과 귀환 라인(R)을 막고 있으므로 제어 포트(C1, C2)에는 유체의 흐름이 없는 상태가 유지된다.

이 상태에서 제어 신호에 의해 압전 바이몰프 액츄에이터(130)의 내부 금속판(131)과 외부 금속판(134, 135)에 입력 전압이 인가되면 압전 바이몰프 액츄에이터(130)는 외팔보(cantilever)의 형태로 구동되는 데, 이 형태는 분극 방향과 동일한 방향의 전압이 인가된 쪽은 수축되고 역방향의 전압이 인가된 쪽은 팽창되는 압전 소자(132, 133)의 역압전 효과를 이용한 것으로 수축과 팽창의 동작은 압전 소자(132, 133)의 접합부에서 서로 구속되기 때문에 기계적 탄성 및 발생력이 큰 굴곡 동작으로 나타나게 된다.

그러면, 좌우 노즐(N1, N2)의 중앙부에 위치하고 있던 압전 바이몰프 액츄에이터(130)의 자유 선단부 굴곡 변위에 의하여 자유 선단부의 좌우에 설치된 노즐(N1, N2)에서 배출되는 유체의 배압이 달라지게 된다. 이때, 압전 바이몰프 액츄에이터(130)의 자유 선단부와 가까워진 쪽의 노즐(N1 또는 N2)의 배압은 올라가고 멀어진 쪽의 노즐(N2 또는 N1)의 배압은 내려가게 된다.

그리고, 이러한 노즐(N1, N2) 배압의 차이(불평형)가 스풀(S)의 구동력으로 작용하게 되므로, 스풀(S)은 노즐 배압을 평형시키는 방향으로 변위하여 압전 바이몰프 액츄에이터(130)의 자유 선단부 굴곡 변위와 반대 방향으로 움직이게 되고, 스풀(S)의 변위에 의해 슬리브의 공급 라인(Ps)으로부터 한 쪽의 제어 포트(C1 또는 C2)에 작동유가 흐르게 되며 동시에 다른 쪽의 제어 포트(C2 또는 C1)로부터 귀환 라인(R)으로 작동유가 흐르게 되어 밸브 구동이 이루어진다.

이와 같이 본 발명의 압전형 서보 밸브는 영구 자석과 코일을 이용한 서보 밸브에 비하여 압전 바이몰프 액츄에이터를 플래퍼로 채용함으로써 구조가 간단하고, 전기적 입력 신호를 기계적 출력 신호로 전환하는 방식이 압전 소자 자체의 고유 특성인 역압전 효과를 이용하므로 종래의 서보 밸브에 비하여 응답 속도 및 정밀도가 월등히 뛰어나서 실용성이 높은 효과가 있다.

Claims

(정정) 전기적 신호에 의해 플래퍼를 구동하여 노즐의 배압을 달리함으로써 기계적 출력 신호로 전환하는 노즐-플래퍼 증폭 기구를 이용한 서보 밸브에 있어서,

상기 플래터는,

상기 전기적 신호를 받는 내부 금속판과;

상기 내부 금속판의 양면에 접합된 압전 소자와;

상기 압전 소자의 바깥쪽 양면에 접합되고 상기 압전소자와 동일한 형상으로 형성된외부 금속판을 포함하는 압전 바이몰프 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 압전형 서보 밸브.
제 1 항에 있어서, 상기 내부 금속판 및 압전 소자는 각각의 두께가 0.25mm 내지 1.0mm이며, 사각형 또는 자유 선단부가 좁아지도록 경사진 사다리꼴 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 압전형 서보 밸브.
(정정) 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 외부 금속판은 길이/너비의 비가 2.0 내지 4.0가 되도록 형성한 것을 특징으로 하는 압전형 서보 밸브.