KR100368678B1 - 번-아웃-프루프 코일을 가지는 선형 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

2 암페어 이하 전류를 사용하여 100킬로그램 힘을 연속적으로 발생시킬 수 있는 선형 음성코일 액츄에이터를 제조하는 방법은 전계를 발생시키는 코일 및 자계를 발생시키는 불포화 영구 자석회로의 사용을 필요로 한다. 제조 방법에 있어서, 전기코일의 평표면은 자석의 평표면에 평행으로 위치되어 이들 사이에 갭을 형성한다. 액츄에이터를 작동시키기 이전, 전류가 코일을 통해 흐르지 않을 때, 약 0.75㎜의 이격거리가 갭을 가로질러 형성된다. 결과적으로, 액츄에이터의 작동 동안, 2 암페어 이하의 전류가 코일을 통해 구동될 경우, 코일에 의해 발생된 전계는 코일 상에 100㎏힘 만큼을 발생시키도록 자석의 자계와 상호작용한다.

Description

번-아웃-프루프 코일을 가지는 선형 액츄에이터{LINEAR ACTUATOR WITH BURN-OUT-PROOF COIL}

본 발명은 일반적으로 선형 음성코일 액츄에이터를 제작하는 방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 외부 냉각장치 또는 제한된 듀티 사이클(duty cycle) 없이도 연속적으로 작동될 수 있는 음성코일 액츄에이터를 제작하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 약 2 암페어 이하 전류를 사용하여 100 킬로그램 만큼의 힘을 연속적으로 발생시킬 수 있는 번-아웃-프루프(burn-out-proof) 코일을 가지는 선형 음성코일 액츄에이터를 제조하는 방법으로서 특수하지만 제한적이지 않게 유용하다.

산업에 잘 공지되어 있는 것처럼, 선형 음성코일 액츄에이터들은 다양한 태스크들에 사용될 수 있다. 요소들을 측정하고, 부품들을 위치시키며 검색하는 것이 이 태스크들에 포함되며, 다른 제조는 통상적으로 작동된다. 이 모든 태스크들에 대해, 음성코일 액츄에이터가 연장된 시간주기 동안 연속적인 기초로 100킬로그램 힘을 발생시킬 수 있어야만 하는 것이 산업 표준이다. 이것은 2 암페어 이하 전류로 시행될 수 있는 것이 바람직하다. 부가적으로, 음성코일 액츄에이터가 강성이고, 정밀하며, 신뢰적인 것은 매우 바람직하다. 매우 컴팩트(compact)하다는 것이 음성코일 액츄에이터의 다른 매우 중요한 특징이다. 제조작업이 많은 액츄에이터들의 동시 사용을 필요로하는 곳에서 특히 이것이 중요한 특징이 된다. 이들 고려들과 더불어, 액츄에이터가 쉽게 파손되지 않는 것이 최대로 중요하다.

지금까지는, 상대적으로 큰 힘들(실예로 100kg)의 필요성을 소형 컴팩트 액츄에이터에 대한 욕구와 맞추기 위한 노력으로, 통상적인 해결책은 액츄에이터를 고전류 레벨에서 작동시켰었다. 그러나, 음성코일 액츄에이터의 전계 파손의 첫째 이유는 코일 "번 아웃"이다. 이는 잘 공지된 바와 같이, 액츄에이터에 의해 생성될 수 있는 힘을 증가시키거나 또는 그 작동 사이클의 기간을 연장하기 위해 노력이 취해지는 경우에 "번 아웃"이 초래된다. 이 목적들을 달성하기 위해, 초과 전류를 액츄에이터의 코일에 인가하는 것이 실시되었었다. 초과 전류가 코일을 통해 흐르는 경우, 초과열이 발생된다. 이때, 이 열은 와이어 절연물을 녹여 코일을 단락시키거나, 코일을 변형시켜 단락을 초래할 수 있다. 다른 문제는 초과 전류에 의해 발생되는 초과 열 때문에 코일이 변형되고 팽창(bulge)되는 경우에 발생된다. 음성코일 액츄에이터에 있어, 코일의 이런 변형은 코일이 액츄에이터의 다른 금속부들과 접촉되도록 할 수 있다. 이것이 발생되는 경우, 단락이 초래될 수 있다. 결과적으로 이 경우들이 음성 코일 액츄에이터의 파손을 일으킨다.

상기 문제들에 대한 여러 해결책이 제안되어 왔다. 이 해결책들은 1) 작동자에게 액츄에이터의 손상 열레벨을 경고할 서미스터를 도입하는 방법; 2)액츄에이터의 작동 동안 이 액츄에이터용 냉각 팬을 사용하는 방법; 3)소정의 셧다운(shut down) 주기 동안 액츄에이터가 "휴지"되도록 요구할 액츄에이터 작동에 대한 한정된 듀티 사이클을 설정하는 방법을 포함한다. 그러나, 모든 이 해결책들은 결점을 가지며 일반적으로 그 효율이 의심스럽다.

상기에 비추어, 본 발명의 목적은 코일을 통해 흐르는 약 2 암페어 전류만으로도 백 킬로그램(100kg) 만큼의 힘을 발생시킬 수 있는 선형 음성코일 액츄에이터를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 코일을 "번 아웃"시키지 않으면서 연장된 시간 주기동안 연속적으로 작동될 수 있는 선형 음성코일 액츄에이터를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 더 다른 목적은 제조하기에 비교적 용이하고, 작동하기에 간단하며 비교적 비용 효과적인 선형 음성코일 액츄에이터를 제공하는 것이다.

번-아웃-프루프 코일을 가지는 선형 음성코일 액츄에이터를 제조하는 방법은 불포화(unsaturated) 자기회로를 설치하기 위해 베이스상에 영구자석을 장착하는 것을 포함한다. 자석은 적어도 하나의 평표면을 가질 필요가 있고 0.4 내지 0.5 테슬러의 자계 강도를 가지는 자계를 발생시킬 수 있다. 다음에, 전기코일은 그 상부의 자석에 대한 상대적인 선형 가역운동을 위해 베이스상에 위치된다. 전기 코일은 또한 적어도 하나의 평표면을 가질 필요가 있다. 보다 상세하게는, 자석과 코일은 이들 사이에 갭을 형성시키기 위해 각 평표면들이 서로 면하는 상태로 베이스 상에 둘 모두 장착된다. 본 발명의 목적을 위해, 이 갭을 가로지르는 간격은 전류가 코일을 통해 흐르지 않는 경우 약 0.75mm가 될 것이다. 선형 음성코일 액츄에이터의 작동 동안, 최대 전류가 코일을 통해 흐르는 경우 갭을 가로지르는 간격의 약 0.20mm이상 감소되지는 않아야 한다. 중요하게도, 선형 음성코일 액츄에이터의 작동 동안, 자석과 전기코일의 각각의 평표면들은 서로 실질적으로 평행하게 유지될 것이다.

다양한 형태의 자석과 전기코일들이 본 발명에 의해 시도될 수 있다. 실예로, 두 개의 자석들이 사용될 수 있어 전기코일의 맞은편 측면들에 위치될 수 있다. 이런 형태에 대해, 제 2 자석은 베이스 상에 장착될 수 있고 스틸 리턴라인(steel return line)에 의해 제 1 자석과 상호결합될 수 있다. 그러므로, 자석들은 자계를 발생시킬시에 서로 상호작용할 것이다. 그러나, 제 1 자석처럼, 제 2 자석은 또한 평표면을 가질 필요가 있을 것이다. 더욱이, 전기코일은 제 2 자석의 평표면과 면할 상응하는 평표면을 필요로 할 것이다. 음성코일 액츄에이터의 이런 형태에 대해, 제 2의 0.75mm 갭이 제 2 자석과 전기코일 사이에 형성된다.

본 발명에 따라 제조된 음성코일 액츄에이터의 작동에 있어, 약 2 암페어에 이르며, 아마도 2.2암페어 만큼의 전류가 전계를 발생하도록 코일을 통해 선택적으로 구동될 수 있다. 코일에서의 전류의 방향과 그 결과로 인한 전계의 방향에 따라, 코일의 전류와 자석에 대해 코일을 이동시킬 자석의 자계 사이에서 힘이 발생될 것이다. 비록 코일을 통해 흐르는 전류가 갭 간격의 선택, 불포화 자석에 의한 충분히 강한 자계의 생성 및 2.2 암페어로 또는 그 밑으로 전류레벨의 유지로 기인된 코일의 다소의 팽창을 초래할 지라도, 본 발명의 음성코일은 외부냉각이나 또는 부가된 듀티 사이클 없이도 연속적으로 작동될 수 있다. 보다 상세하게는, 본 발명에 의해 시도될 수 있는 것처럼, 음성코일 액츄에이터는 연속적으로 작동될 수 있어 코일을 번아웃시키지 않고도 100kg 만큼의 힘을 발생시킬 수 있다.

그 구조 및 작동에 대한 본 발명 자체 뿐만아니라, 본 발명의 신규한 특징은 첨부된 도면들로부터 가장 잘 이해되며 동일 참고부호가 동일 부품으로 칭해지는 첨부된 도면들과 결부하여 얻어질 것이다.

도 1은 본 발명의 방법에 따라 제조된 음성코일 액츄에이터의 사시도.

도 2는 명백하도록 노출되어 이탈된 부분들을 가지는 음성코일 액츄에이터의 사시도.

도 3은 도 2의 3-3라인을 따라 도시된 음성코일 액츄에이터의 단면도.

도 1을 참고하면, 본 발명의 방법에 따라 제조된 음성코일 액츄에이터가 도시되고 일반적으로 도면부호 10으로 표시된다. 도시된 바와같이, 액츄에이터(10)는 액츄에이터(10)의 내부작동 소자들을 둘러싸 덥는 케이스(12)를 포함한다. 병진(translation)(화살표(16)로 표시됨) 및 회전(화살표(18)로 표시됨)의 가역 운동을 위해 액츄에이터 상에 장착되는 프로브(14)가 액츄에이터(10)의 외부로부터 명백히 도시된다. 액츄에이터(10)가 정확하게 공간에 위치되도록 x,y 및 z방향으로 이동될 수 있음이 또한 명백하다. 일단 액츄에이터가 적절히 위치되면, 프로브(14)는 병진(z방향) 및 회전(θ)으로 움직이기 위해 작동될 수 있다. 프로브(14)를 병진으로 이동시키는 액츄에이터(10)의 내부 요소들은 도 2에 참고로 가장 잘 도시될 것이다.

도 2에서는 보빈(bobbin)(22)상에 장착되는 전기코일(20)이 존재하는 액츄에이터(10)의 내부 케이스(12)가 도시될 것이다. 더욱이, 케이스(12)상에 장착되는 슬라이드(24)에 보빈(22)이 부착되는 것이 도시될 것이다. 이런 조합으로, 코일(20)은 자유롭게 병진 이동한다. 중요하게도, 케이스(12)에 대해 프로브가 병진으로 이동하기에 매우 자유롭도록 프로브(14)는 코일(20)상에 장착된다. 본 발명은 다양한 유형의 코일(20)들이 채용될 수 있고, 특정 코일(20)들은 보빈(22)을 사용하지 못하는 것을 인지한다. 그러나, 프로브가 병진으로 이동될 수 있도록 프로브(14)는 케이스(12) 상에 장착될 필요가 있다. 그러므로, 프로브(14)가 코일과 같이 움직일 경우, 코일(20)의 보빈(22) 상에 또는 코일(20)과 프로브(14)를 둘다 지지할 임의의 공통 구조체(미도시) 상에 여하튼 장착되어야 한다. 본 발명에 대해 보빈이 사용된다면, 보빈은 바람직하게 비교적 경량 플라스틱 물질 또는 양극산화(anodized) 절연 알루미늄 물질로 제조될 것이다. 또한 본 발명에 대해 코일(20)은 20-40 게이지(gauge) 범위의 동선으로 제조될 것이다.

본 발명에 대해 의도된 바와 같이, 전기코일(20)은 커넥터(26)를 통해 전원(28)과 전기적으로 접속된다. 잘 공지되어 있는 바와같이, 전류가 코일(20)을 통해 흐르도록 전원(28)이 작동될 때마다 전계가 발생될 것이다. 본 발명의 목적을 위해, 전원(28)에 의해 코일(20)을 통해 구동되어질 전류가 약 2 암페어로 한정될 것이다.

도 2는 자석(30)이 액츄에이터(10)의 케이스(12) 내부에 장착되는 것을 도시한다. 중요하게도, 본 발명을 위해 어떤 전류가 코일(20)을 통해 구동되든지 양(+)전류이며 일반적으로는 선형 응답일 수 있도록 자석(30)의 스틸 리턴라인은 불포화될 필요가 있다. 이런 면에서, 자석(30)이 코일(20)상에 힘을 발생시키도록 코일(20)의 전류와 상호 작용할 자계를 발생시키는 것이 이해될 것이다. 이런 힘은 프로브(14)상에 또한 작용할 것이다. 본 발명에 대해 의도된 바대로, 2암페어의 전류가 전원(28)에 의해 코일(20)을 통해 구동될 경우 코일(20)(및 프로브(14)) 상에 발생되는 힘은 약 100㎏이 될 것이다. 연장된 시간 주기동안 이런 힘을 연속적으로 발생시키기 위해, 코일(20)을 통과하는 2 암페어 전류만을 사용하는 것은 액츄에이터(10)가 특정 공간 및 허용도가 고려되어 제조되도록 요구한다. 이런 고려에 있어, 코일(20)과 자석(20) 사이의 간격이 특히 중요하다.

도 3과 도 2를 참고하여, 코일(20)이 실질적으로 평면인 평표면(32)을 가지며, 자석(30)은 실질적으로 평면인 평표면(34)을 가지는 것이 도시된다. 중요하게도, 코일(20)의 평표면(32)은 자석(30)의 평표면(34)에 면하도록 위치되어 이들 사이에 갭(36)이 형성된다. 갭(36)을 가로지르는 이격 거리, d'는 액츄에이터(10)의 작동이 개시되기 이전에 약 0.75㎜가 되도록 설정된다. 이런 조건하에서는, 전류가 코일(20)을 통해 흐르지 않는다. 더욱이, 코일(20)에 흐르는 전류를 약 2 암페어로 억제하여, 액츄에이터(10)의 작동에 의해 초래된 코일(20)의 어떤 변형도 갭(36)을 가로지르는 이격 거리 d'가 0.20㎜를 넘지않을 정도로 감소되도록 될 것이다. 다르게 기술된, 액츄에이터(10)의 설계는 약 0.55㎜ 이상인 갭(36)을 가로지르는 이격 거리 d'를 유지한다.

도 3은 자석(30)이 액츄에이터(10)의 작동을 위해 필요로 되는 자계를 발생시키도록 서로 상호작용할 실질적으로 두 개의 자석들이 될 수 있음을 또한 도시한다. 이런 형태에 대해, 상기와 같이, 코일(20)이 실질적으로 평면인 제 2 평표면(38)을 필요로 할 것이고 자석(30)은 실질적으로 평면인 제 2 평표면(40)을 필요로 할 것이다. 본 발명에 따라 위치된 경우, 평표면(38, 40)들은 이들 사이에 갭(42)을 형성할 것이다. 갭(36)에서 처럼, 갭(42)은 약 0.75㎜이도록 설계되는 이격 거리, d"를 가질 것이다. 또한 갭(36)에서 처럼, 갭(42)을 가로지르는 이격 거리 d"는 액츄에이터(10)의 작동 동안 0.20㎜를 넘지 않을 정도로 감소될 것이다. 자석 구성(30)이 두 개의 갭(36, 40)들을 형성할 경우, 스틸 리턴라인(44)은 자기성분들을 상호 접촉시키고 생성되는 자계의 윤곽을 그리는 것을 돕도록 사용될 수 있다.

본문에 도시되고 상세히 기술된 번-아웃-프루프 코일을 가지는 특정 선형 액츄에이터가 완전히 상기 본문의 목적을 달성하고 장점들을 제공할 수 있지만, 본 발명의 바람직한 실시예들의 예시로만 된 것이며 어떤 제한도 첨부된 청구항들에 기술된 것 이외에 다른 도시된 본문의 상세한 구성 또는 설계에 대해 의도되지 않는것이 이해될 것이다.

Claims (21)

1. 2 암페어 이하 전류가 코일을 통해 흐르는 동안 약 100킬로그램 힘 만큼을 연속적으로 발생시킬 수 있으며, 번-아웃-프루프 코일을 가지는 선형 음성코일 액츄에이터를 제조하는 방법에 있어서,

   불포화 자기회로를 생성하여 자계를 발생시키도록 실질적으로 평면인 평표면을 지니는 자석을 베이스 상에 장착하는 단계;

   실질적으로 평면인 평표면을 지니며, 상기 자석의 상기 표면과 코일의 표면 사이에 갭을 형성하여 전류가 상기 코일을 통해 흐르지 않는 경우 상기 갭을 가로지르는 이격 거리가 약 0.75㎜가 되도록 상기 베이스상에 장착되는 전기코일을, 상기 자석에 대해 상대적인 가역 선형운동하도록 상기 베이스상에 위치시키는 단계; 및

   상기 코일 상에 100㎏만큼의 힘을 발생시키기 위해 상기 자석의 상기 자계와 상호 작용하도록 상기 코일을 통해 약 2 암페어 이하의 전류를 선택적으로 구동시키기 위해 상기 코일에 전압수단을 접속시키는 단계

   를 포함하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 불포화 자석이 제 1 자석이며 상기 전기코일의 상기 평표면이 제 1 표면이고,

   실질적으로 평면인 평표면을 지니며, 상기 코일이 실질적으로 평면인 제 2평표면을 지니고, 제 2 자석의 평표면과 코일의 제 2 평표면 사이에 갭을 형성하여 전류가 상기 코일을 통해 흐르지 않는 경우 상기 갭을 가로지르는 이격거리가 약 0.75㎜가 되도록 상기 베이스 상에 장착되는 제 2 불포화 자석을, 상기 자계를 발생시킬시에 상기 제 1 자석과 상호 작용하도록 상기 베이스상에 장착시키는 단계; 및

   상기 제 1 자석과 상기 제 2 자석 사이에 리턴경로를 제공하는 단계

   를 더 포함하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 리턴경로가 스틸로 제조되는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 보빈상에 상기 코일을 위치시키는 단계를 더 포함하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 보빈이 플라스틱으로 제조되는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 코일이 20-40 게이지 동선으로 제조되는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 자석을 상기 베이스상에 고정되게 장착하는 단계를 더 포함하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 자석이 영구 자석인 방법.
9. 자계를 발생시키는 불포화 자기회로에 위치되는 전기코일을 통해 전류가 흐르는 선형 음성코일 액츄에이터를 사용하여 100킬로그램 힘을 발생시키는 방법에 있어서,

   코일과 자석 사이에 갭을 형성하기 위해 전류가 코일을 통해 흐르지 않는 경우 갭을 가로지르는 이격 거리가 약 0.75mm가 되도록 자석으로부터 이격되어 위치되는 전기코일의 실질적으로 평면인 평표면을, 자석의 실질적으로 평면인 평표면과 실질적으로 평행인 관계로 위치시키는 단계; 및

   코일의 전류가 코일상에 약 100kg 만큼의 힘을 발생시키기 위해 자석의 자계와 상호작용하도록, 이 코일을 통해 흐르는 약 2 암페어 이하의 전류를 선택적으로 구동시키기 위해 전압수단을 작동시키는 단계

   를 포함하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 자석이 베이스상에 장착되며 코일이 갭을 가로지르는 이격 거리를 유지하면서 이들 사이의 상대적인 가역 선형운동을 위해 그 베이스상에 위치되는 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 불포화 자석이 제 1 자석이며 전기코일의 평표면이 제 1 표면이고,

    실질적으로 평면인 평표면을 지니며, 코일이 실질적으로 평면인 제 2 평표면을 지니고, 제 2 자석의 평표면과 코일의 제 2 평표면 사이에 갭을 형성하여 전류가 상기 코일을 통해 흐르지 않는 경우 상기 갭을 가로지르는 이격거리가 약 0.75㎜가 되도록 베이스상에 장착되는 제 2 불포화 자석을, 자계를 발생시킬시에 상기 제 1 자석과 상호 작용하도록 상기 베이스상에 장착시키는 단계; 및

    제 1 자석과 제 2 자석 사이에 리턴경로를 제공하는 단계

    를 더 포함하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 리턴경로가 스틸로 제조되는 방법.
13. 제 11 항에 있어서, 플라스틱 보빈상에 상기 코일을 위치시켜 이 보빈이 베이스에 슬라이딩되게 위치시키는 단계를 더 포함하는 방법.
14. 제 11 항에 있어서, 코일이 20-40게이지 동선으로 제조되는 방법.
15. 제 11 항에 있어서, 자석이 영구자석인 방법.
16. 2 암페어 이하 전류가 코일을 통해 흐르는 동안 약 100킬로그램 만큼의 힘을 연속적으로 발생시킬 수 있으며, 번-아웃-프루프 코일을 가지는 선형 음성코일 액츄에이터에 있어서,

    베이스;

    자계를 발생시키도록 불포화 자기회로의 상기 베이스상에 장착되며, 실질적으로 평면인 평표면을 지니는 자석;

    상기 자석에 대한 상대적인 가역 선형운동을 위해 상기 베이스상에 위치되며, 실질적으로 평면인 평표면을 지니고, 상기 자석의 상기 평표면과 코일의 평표면 사이에 갭을 형성하여 전류가 코일을 통해 흐르지 않는 경우 상기 갭을 가로지르는 이격거리가 약 0.75㎜가 되도록 상기 베이스상에 장착되는 전기코일; 및

    상기 코일의 전류가 상기 코일 상에 100㎏ 만큼의 힘을 발생시키도록 상기 자석의 상기 자계와 상호 작용하도록 전류를 발생시키기 위해 상기 코일을 통해 약 2 암페어 이하의 전류를 선택적으로 구동시키도록 상기 코일에 접속되는 전압수단

    을 포함하는 액츄에이터.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 자석이 제 1 자석이고 상기 전기코일의 상기 평표면이 제 1 표면이며,

    상기 자계를 발생시킬시에 상기 제 1 자석과 상호 작용하도록 상기 베이스상의 불포화 자기회로에 장착되며, 실질적으로 평면인 평표면을 지니고 상기 코일은 실질적으로 평면인 제 2 평표면을 지니며, 제 2 자석의 평표면과 상기 코일의 상기 제 2 평표면 사이에 갭을 형성하여 전류가 상기 코일을 통해 흐르지 않는 경우 상기 갭을 가로지르는 이격거리가 약 0.75㎜가 되도록 상기 베이스상에 장착되는 제 2 불포화 자석; 및

    상기 제 1 자석 및 제 2 자석을 상호 접속시키는 리턴경로

    를 포함하는 액츄에이터.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 리턴경로가 스틸로 제조되는 액츄에이터.
19. 제 16 항에 있어서, 상기 코일이 보빈상에 위치된 플라스틱 보빈을 더 포함하며 상기 코일이 20-40게이지 동선으로 제조되는 액츄에이터.
20. 제 16 항에 있어서, 상기 코일이 보빈상에 위치된 알루미늄 보빈을 더 포함하며 상기 코일이 20-40게이지 동선으로 제조되는 액츄에이터.
21. 제 16 항에 있어서, 상기 자석이 영구자석인 액츄에이터.