KR101025653B1 - 선형 액추에이터 - Google Patents

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Abstract

낮은 프로필과 긴 스트로크를 갖는 선형 액추에이터(10)가 제공된다. 액추에이터는 신축식 피스톤(12)에 일체 결합된 하우징(14)을 포함한다. 피스톤은 피스톤과 유체 연통된 팽창가스 발생기에 의해 제공되는 팽창가스와 같은 유체에 의해 확장될 수 있다. 피스톤은 원샷 스트로크를 거쳐 신속하게 확장된다. 확장 피스톤은 유체내 에너지를 선형 작업을 수행하는 운동으로 전환한다. 선형 액추에이터는 단일 형태의 모재로부터 딥드로잉스탬프를 포함하는 스탬프 공정을 거쳐 성형될 수 있다. 또는 기타의 금속 성형 공정들이 선형 액추에이터를 형성하는데 이용될 수 있다.

Description

선형 액추에이터 {Linear Actuator}
본 발명은 액추에이터에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로 본 발명은 낮은 프로필과 긴 스트로크를 갖는 선형 액추에이터에 관한 것이다.
액추에이터는 유체의 힘을 선형 또는 회전 운동으로 전환하기 위한 매우 유연하고 효과적인 메카니즘을 제공한다. 힘은 원격지에서 유체로 도입되어 유체 라인 또는 채널을 통해 액추에이터로 용이하게 전달될 수 있다. 유체를 통해 힘을 전달함으로써, 균일하고 일정한 기계적 운동이 달성될 수 있다.
선형 액추에이터는 서로에 대하여 선형으로 이동하는 구성요소들을 포함하지만, 하나의 선형 액추에이터를 다양한 기어(gears), 힌지, 버팀대 등과 조합하면 물체의 비선형 운동 또한 가능하게 한다. 선형 액추에이터는 넓은 범위의 응용예를 갖는다. 선형 액추에이터의 하나의 흔한 예는 중장비에 사용되는 유압승강기이다.
일반적으로 선형 액추에이터는 힘 공급원(power supply), 유체, 하우징 및 피스톤을 포함한다. 전형적으로, 유체는 유압 유체와 같은 액체이거나 공기와 같은 기체이다. 서로 다른 유체는 서로 다른 특징으로 힘 공급원으로부터 힘을 이동시킨 다. 유체의 선택은 대체로 선형 액추에이터의 원하는 용도에 의존한다.
힘 공급원은 펌프, 모터, 기계적 레버, 또는 압력과 힘을 유체로 도입하기 위한 기타의 메카니즘일 수 있다. 일반적으로 힘 공급원은 유체 저장소로부터의 유체를 폐쇄 시스템에 첨가함으로써 유체를 가압한다. 또는 힘 공급원은 추가의 유체를 발생시키거나 또는 현재 폐쇄 시스템에 있는 유체를 여기시킬 수 있다.
하우징과 피스톤은 결합되어, 하우징 내에서 유체에 가해지는 압력이 피스톤을 확장 또는 후퇴시키도록 한다. 유체가 가압되는 속도는 일반적으로 피스톤의 이동 속도를 결정한다. 가압속도는 대체로 힘 공급원의 크기 및 용량에 따라 다르다. "피스톤"이라는 용어가 유체에 의하여 이동되는 부재를 나타내기 위해 이용되는 반면, 피스톤, 램(ram) 및 플런저(plunger)라는 용어들은 특정의 선형 액추에이터의 구성에 따라 피스톤과 같이 이동하는 부재를 나타내기 위해 호환적으로 사용될 수 있다. 일반적으로 "피스톤"이라는 용어는 하우징 내에서 이동하는 부재를 나타내지만, 피스톤과 하우징이 일체화된 경우 액추에이터는 피스톤 타입의 액추에이터로서 언급될 수 있다. 본 명세서에서, 하우징과 피스톤을 일체화한 실시예에서는, "피스톤"이라는 용어가 간단함과 명료함을 위해 사용된다.
선형 액추에이터는 단동식(single-acting) 또는 복동식(double-acting)일 수 있다. 단동 액추에이터에서 유체는 하우징내에서 피스톤을 한 방향으로만 이동시킨다. 중력과 같은 외력은 피스톤을 비확장 위치로 복귀시킨다. 복동 액추에이터에서 유체는 유체가 피스톤을 확장 및 수축시키기 위해 사용될 수 있도록 배향된다.
일반적으로, 하우징은 정지부재에 고정되고 피스톤은 이동부재와 접한다. 피 스톤은 이동부재에 고정되거나 고정되지 않을 수 있다. 단동 액추에이터에서, 피스톤 뒤로 하우징 내에서 가압된 유체는 피스톤을 하우징으로부터 선형으로 확장시킨다.
불행히도 선형 액추에이터는 한계가 있다. 구체적으로, 대부분의 선형 액추에이터들은 하우징의 길이 보다 더 작은 스트로크 길이로 제한된다. 스트로크 길이(본 명세서에서는 스트로크라고도 함)는 피스톤이 완전 수축된 위치로부터 완전 확장된 위치로 이동하는 선형 길이이다. 작동을 위해 일반적으로 하우징은 유체 및 피스톤을 함유하는 폐쇄 시스템이다. 하우징은 적어도 피스톤 만큼 길다. 피스톤은 하우징내에서 수축되지만 하우징의 벽을 벗어나 확장되지는 않는다. 따라서 최대 피스톤 스트로크는 하우징 길이 보다 짧다.
제한된 스트로크에 대처하기 위해, 복수의 단을 갖는 신축식(telescoping) 피스톤이 개발되었다. 단들은 망원경에서처럼 서로의 내부에서 슬라이드하는 구성 및 크기를 갖는다. 신축식 단들은 하우징내의 공간을 더 효율적으로 이용하며 하우징보다 더 긴 스트로크를 가능하게 한다.
그러나 신축식 단들은 일반적으로 밀봉제에 의해 결합된 개별 형태들로 구성된다. 밀봉제는 상기 단들이 유체의 압력에 대응하여 서로를 지나 슬라이드하도록 한다. 단들과 밀봉제 사이의 마찰은 밀봉제가 빨리 마모되도록 한다. 마모된 밀봉제는 단들 사이로 유체가 누출되도록 할 수 있다. 따라서 밀봉제를 갖는 선형 액추에이터는 정기적인 유지관리를 요한다.
또한 분리된 신축식 단들은 신축식 피스톤을 위한 조립 및 제조 비용을 증가 시킨다. 각각의 단 및 밀봉제는 서로 다른 직경을 갖는다. 따라서 각각의 단 및 밀봉제는 별도로 제조되어 신축식 피스톤을 형성하도록 조립된다.
단동 신축식 액추에이터는 다양한 용도로 이용될 수 있다. 예를 들어, 단동 신축식 액추에이터는 하중을 내려놓기 위한 덤프트럭 베드를 들어올리는데 잘 작동한다. 그러나 누출에 대한 잠재성, 제조 및 조립 비용, 중량, 전개 속도 및 크기가 단동 신축식 액추에이터의 적용을 제한할 수 있다.
예를 들어, 일부 적용에 있어 차량내에 선형 액추에이터를 사용하기 위해서 선형 액추에이터는 저렴하고 경량이며 신뢰성이 있어야 한다. 긴 스트로크를 갖는 매우 소형의 선형 액추에이터가 요구될 수 있다. 긴 스트로크는 일반적으로 피스톤이 전개되기 전에 스트로크가 액추에이터 하우징의 길이 또는 프로필 보다 더 긴 것을 의미한다. 특정의 적용예에서 선형 액추에이터는 매우 신속하게 전개될 것이 요구될 수 있다.
브레이크 시스템과 같이 차량내 특정의 적용예에서는 왕복운동하는 선형 액추에이터가 바람직할 수 있지만, 다른 선형 액추에이터는 피스톤의 단일의 신뢰할만한 전개만을 요구할 수 있다. 이러한 유형의 선형 액추에이터는 "원샷" 선형 액추에이터라고 불리워질 수 있다. 예를 들어 비상시 탑승자를 보호하고 구제하도록 고안된 구성요소들은 "원샷" 선형 액추에이터를 이용할 수 있다. 불행히도 종래의 단동식 선형 액추에이터는 차량 안전 시스템에 이용될 수 있는 크기, 중량, 신뢰성, 신속한 전개, 낮은 프로필 및 긴 스트로크, 및 비용 요건을 만족시킬 수 없었다.
따라서 다양한 차량 안전 시스템에 이용할 수 있도록 최소의 프로필과 긴 스트로크를 갖는 소형의 선형 액추에이터를 제공한다면 당해 기술분야에서 진보가 될 것이다. 신속하고 신뢰성 있게 전개되는 선형 액추에이터를 제공하는 것은 또 다른 진보일 것이다. 종래의 선형 액추에이터에 비하여 제조비용이 저렴한 선형 액추에이터를 제공하는 것은 당업계에서 또 다른 진보가 될 것이다. 또한, 경량이면서 외부 저장소를 포함하지 않는 자급식 선형 액추에이터를 제공하는 것도 진보가 될 것이다. 누출이 되지 않고 유지관리가 필요없는 선형 액추에이터를 제공하는 것 또한 당업계에서 또 다른 진보가 될 것이다. 본 발명은 신규하고 유용한 방식으로 이러한 진보들을 제공한다.
본 발명의 장치는 당업계의 현재 기술 상태에 대응하여, 특히 현재의 선형 액추에이터에 의하여 완전히 해결되지 못했던 당 기술분야에서의 문제점 및 요구에 대응하여 개발되었다. 따라서, 본 발명은 작은 프로필을 갖지만 긴 스트로크를 가지며, 저렴하고 경량이며 신뢰성 있고 유지가 필요없고 자급식이며 매우 신속하게 전개되는 단동식 선형 액추에이터를 제공한다.
일 실시예에서, 선형 액추에이터는 제 1 끝단 및 제 2 끝단을 갖는 벽을 포함한다. 상기 벽은 세로축을 둘러싼다. 단동 피스톤은 상기 벽의 제 1 끝단에 결합된다. 피스톤은 피스톤의 상부면이 상기 제 1 끝단과 실질적으로 동일 평면에 있도록 상기 축을 따라 확장된다. 또는 피스톤의 상부면은 실질적으로 상기 제 1 끝단 과 제 2 끝단 사이에 위치할 수 있다. 상기 피스톤과 벽은 단일 형태의 가단성(malleable) 재질로부터 일체로 성형될 수 있다.
특정 실시예에서, 유체 발생기가 상기 제 2 끝단에 결합될 수 있다. 유체 발생기는 피스톤을 확장하기 위해 가압 유체를 제공한다. 유체 발생기는 개시제에 의하여 구동되는 팽창가스 발생기일 수 있다. 예를 들어, 팽창가스 발생기는 마이크로-가스 발생기(MGG)일 수 있다. 유체 발생기는 상기 벽의 제 2 끝단으로부터 연장된 립(lip)에 밀봉될 수 있다. 또한 피스톤은 상기 제 1 끝단과 일체화되어 폐쇄 시스템을 형성할 수 있다. 유체는 제 1 끝단을 통과하는 것이 방지된다.
피스톤은 적어도 상기 벽의 축길이 만큼 긴 스트로크를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 피스톤은 가압 유체가 상기 제 2 끝단으로부터 제 1 끝단을 향해 적용될 때 연속적으로 전개되는 복수의 피스톤 단들을 포함한다. 복수의 피스톤 단들을 갖는 피스톤은 긴 스트로크를 가질 수 있다.
특정 실시예에서, 구동 신호가 선형 액추에이터를 구동한다. 구동 신호는 개시제로 보내어져 팽창가스 발생기를 구동시켜 가압된 팽창가스를 생성한다. 가압된 팽창가스는, 피스톤이 원샷 단동 스트로크로 신축식으로 전개될 때까지 가스 발생기와 피스톤 사이에 있게 된다.
또 다른 실시예에서, 선형 액추에이터는 제 1 끝단, 제 2 끝단 및 중심축을 갖는 원통형 벽을 포함한다. 원통형 피스톤 단은 상기 벽과 동축을 이루고 상기 제 1 끝단과 결합된다. 상기 원통형 피스톤 단은 원통형 벽의 제 1 및 제 2 끝단 사이에 위치한다. 피스톤 헤드는 상기 피스톤 단에 연결되고 상기 중심축과 동축을 이 룬다.
바람직하게, 선형 액추에이터는 상기 제 1 끝단을 피스톤 헤드에 연결하는 복수의 상호연결된 피스톤 단들을 포함한다. 상호연결된 피스톤 단들은 피스톤 뒤로 유체를 보유하기 위해 선형 액추에이터를 밀봉할 수 있다. 피스톤 헤드, 복수의 피스톤 단들 및 상기 벽의 제 1 끝단은 신축식으로 상호 연결되어, 상기 벽이 상기 복수의 피스톤 단들 및 피스톤 헤드를 둘러싸도록 할 수 있다.
또 다른 실시예에서 유체 발생기는 상기 제 2 끝단에 밀봉될 수 있다. 상기 유체 발생기는 유체를 발생하여 피스톤 단들 및 피스톤 헤드에 압력을 가하도록 한다. 바람직하게 상기 피스톤 단들 및 피스톤 헤드는 상기 원통형 벽의 축 길이 보다 더 큰 스트로크를 위해 상기 중심축을 따라 신축식으로 전개된다.
바람직한 실시예에서, 상기 벽, 피스톤 헤드 및 피스톤 단들은 단일 형태의 가단성 모재로부터 일체로 성형된다. 상기 재질은 놋쇠, 강철 또는 기타의 재질일 수 있다. 바람직하게, 상기 모재는 종래의 딥드로잉스탬프(deep draw stamp) 기술을 이용하여 깊이 오므려져 스탬프되어 벽, 피스톤 헤드 및 피스톤 단들을 형성한다.
본 발명은 다양한 제조공정을 이용하여 제조될 수 있다. 선형 액추에이터는 압연관 재질로부터 형성될 수 있다. 일 실시예에서 선형 액추에이터는 딥드릴링(deep drilling), 수압성형(hydroforming), 유동성형(flowforming)과 같이 보다 덜 전형적인 방법 또는 기타 금속 성형 공정을 이용하여 성형될 수 있다. 일반적으로 선형 액추에이터를 성형하기 위한 제조공정은 선형 액추에이터의 적용 의도와 밀접 하게 관련된다.
본 발명의 이러한 특징과 다른 특징 및 잇점은 아래의 상세한 설명 및 청구범위로부터 보다 명확해질 것이고, 또는 후술하는 바와 같은 본 발명의 실시로부터 학습될 수 있을 것이다.
본 발명의 상기한 바와 같은 잇점 및 기타의 잇점들이 용이하게 이해되도록 하기 위하여, 상기에서 간단하게 기술된 본 발명의 보다 구체적인 내용은 첨부 도면을 참고로 하는 아래의 구체적인 실시예를 참고하여 설명될 것이다. 첨부 도면들은 본 발명의 전형적 실시예만을 도시한 것이므로 본 발명의 보호범위를 한정하는 것으로 이해되어서는 아니되며, 본 발명은 첨부 도면을 통해 보다 구체적이고 상세하게 기술 및 설명될 것이다.
도 1a는 전개되기 전에 일체화된 피스톤 및 하우징을 도시하는 측면 사시도.
도 1b는 전개된 상태의 일체화된 피스톤 및 하우징을 도시하는 측면 사시도.
도 2는 일체화된 피스톤 헤드, 복수의 피스톤 단들 및 벽을 도시하는 단면도.
도 3은 피스톤 전개를 위해 가압 가스를 제공하는 가스 발생기에 결합된 일체화된 피스톤 및 하우징을 도시하는 단면도.
도 4a는 일체화된 피스톤 헤드, 피스톤 단 및 벽의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도.
도 4b는 일체화된 피스톤 헤드, 복수의 피스톤 단들 및 벽의 또 다른 실시예를 도시하는 단면도.
도 5는 차량 안전 시스템에 실행된 본 발명의 일 실시예를 도시하는 측면 사시도.
본 발명은 동일한 부품들에 대하여 동일한 도면부호를 일관되게 사용한 첨부도면을 참고로 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 전개되기 전의 선형 액추에이터(10)의 일 실시예를 도시한다. 선형 액추에이터(10)는 피스톤(12) 및 하우징(14)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 하우징(14)과 피스톤(12)은 단일 형태로 일체화된다. 피스톤(12) 및 하우징(14)은 공통의 세로축(16)을 공유한다. 하우징(14)은 축(16)을 둘러싸는 벽(18)을 포함한다. 벽(18)은 선형 액추에이터(10)가 전개되지 않을 때 피스톤(12)을 둘러싼다. 바람직하게 벽(18)은 축(16)과 평행으로 이어진다.
벽(18)은 제 1 끝단(20)과 제 2 끝단(22)을 갖는다. 제 2 끝단(22)은 전원(도 1a에는 도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 바람직하게 제 1 끝단(20)은 피스톤(12)과 일체화된다. 또는 제 1 끝단(20)은 피스톤(12)에 결합될 수 있다. 제 1 끝단(20) 및 피스톤(12)은 유체가 제 1 끝단(20)을 지나쳐갈 수 없도록 결합된다.
바람직하게 피스톤(12)은 단동 피스톤이므로, 피스톤(12)은 유체에 의해 한 방향으로만 확장된다. 가압된 유체는 피스톤(12)을 초기의 미확장 위치로 되돌리기 위해 사용되지 않는다. 바람직한 실시예에서 피스톤(12)은 벽(18)에 의해 실질적으로 둘러싸인 영역 내에, 회선이라고도 불리는 피스톤 단들(26)을 포함할 수 있다. 바람직하게 피스톤 단들(26)은 축(16)과 동축을 이룬다. 피스톤(12)은 피스톤(12)의 상면이 제 1 끝단(20)과 동일 평면에 있도록 벽(18)내에 위치한다. 또는, 피스톤(12)의 상면은 실질적으로 벽(18)의 제 1 끝단(20) 및 제 2 끝단(22) 사이에 있다. 또한 피스톤(12)의 상면은 세로축(16)을 따라 임의의 지점에 위치할 수 있다.
도시된 실시예에서, 벽(18)과 피스톤 단들(26)은 원통형 형상을 갖는다. 그러나 벽(18) 및/또는 피스톤 단들(26)이 본 발명의 범위내에서 모든 다양한 형상을 가질 수 있다는 것이 용이하게 이해될 것이다. 예를 들어 벽(18)은 타원형 또는 직사각형으로 축(16)을 둘러쌀 수 있다. 또한, 피스톤 단들(26)은 정사각형, 직사각형 또는 삼각 단면을 가질 수 있다.
도 1b를 보면, 전개된 선형 액추에이터(10)가 도시되어 있다. 피스톤 단들(26)은 이동하여 피스톤(12)을 확장시킨 확장 구성으로 되었다. 전원(도 1b에는 도시되지 않음)은 제 2 끝단(22)에서 피스톤(12)과 유체 연통되도록 연결될 수 있다. 액추에이터(10)를 전개하기 위해, 가압된 유체는 제 1 끝단(20) 방향으로 피스톤(12)에 대항하여 힘을 받는다. 유체는 피스톤 단들(26)이 축(16)을 따라 연속하여 확장되어 벽(18)으로부터 멀어지도록 한다.
바람직하게 벽(18) 및 피스톤 단들(26)은 금속과 같이 내구성 있고 강성이며 가단성인 단일 형태의 재질로부터 형성된다. 금속은 놋쇠, 냉간압연강철, 스테인레스강철 등일 수 있다. 물론 폴리머와 같은 기타 재질들도 사용가능하다. 재질의 두 께는 의도되는 용도에 따라 달라질 수 있다. 마찬가지로 직경, 드로잉 깊이 등과 같은 기타 특징들도 의도된 용도에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로 상기 재질은 딥드로잉 특성을 갖고, 팽창 가스와 같은 가압된 유체에 의해 피스톤(12)이 전개되었을 때 피스톤(12) 및 벽(18)의 일체성을 유지하기에 충분할 정도로 강하다.
바람직하게, 일체화된 벽(18)과 피스톤(12)은 딥드로잉스탬프 공정을 이용하여 블랭크(도시되지 않음)로부터 성형된다. 일반적으로, 물체는 그것의 깊이가 직경의 반 보다 더 크면 딥드로잉된다. 딥드로잉스탬프 공정은 가장 안쪽의 피스톤 단(26)을 먼저 성형하기 위해 이용될 수 있다. 그 다음 각각의 연속되는 더 큰 직경의 피스톤 단(26)은 원하는 수의 단들(26) 및 벽(18)이 형성될 때까지 스탬프될 수 있다. 물론 기타의 스탬프 공정들도 동심의(concentric) 피스톤 단들(26)을 형성하기 위해 본 발명의 범위 내에서 이용될 수 있다.
스탬프에 의해 형성된 선형 액추에이터(10)는 폐쇄 시스템을 형성하기 위해 상호 결합된 피스톤 단들(26)을 제공한다. 피스톤 단들(26)은 신축적으로 전개된다. 유체가 제 2 끝단으로부터 피스톤(12)에 대항하여 가압하면, 모든 단들(26)이 확장될 때까지 각각의 안쪽 단(26)은 펼쳐져서 그 이웃하는 바깥쪽 단(26)을 지나 이동한다. 전개되는 피스톤 단들(26)의 수 및 각각이 확장되는 거리는 유체에 의해 제공되는 압력에 따라 다르다. 바람직하게는, 유체의 압력이 각 피스톤 단(26)을 완전히 확장하기에 충분하다.
이제 대체로 도 1a 및 도 1b를 참고할 때, 선형 액추에이터(10)는 작은 프로필 및 긴 스트로크를 갖는 액추에이터를 제공한다. 도 1a에 도시된 바와 같이 프로 필은 벽(18)의 축방향 길이, 또는 세로축(16)과 평행으로 측정된 제 1 끝단(20으로부터 제 2 끝단(22)까지의 거리이다. 도 1b는 스트로크를 도시한다. 스트로크는 제 1 끝단(20)으로부터 피스톤(12)이 최대 확장에 도달할 경우 세로축(16)을 따른 일 지점까지의 거리이다. 긴 스트로크라는 것은 피스톤(12)이 전개되기 전에 액추에이터(10)의 길이 또는 프로필 보다 스트로크가 더 길다는 것을 의미한다. 스트로크가 길고 프로필이 낮은 선형 액추에이터(10)는 주어진 용도에 대하여 작동가능한 스트로크를 제공할 수 있으며 컴팩트한 공간에 저장될 수도 있다. 바람직하게 스트로크는 벽(18)의 축길이, 프로필 보다 더 크다. 또는 스트로크는 적어도 프로필 정도의 길이이다.
도 2는 선형 액추에이터(10)의 단면을 도시한다. 각각의 피스톤 단(26, 도 1b 참조)은 외부 폴드(30)에 의해 합쳐지는 두개의 벽길이(28)를 포함한다. 벽길이(28) 및 외부 폴드(30)가 도 2에서는 가장 외곽의 피스톤 단(26)에 대해서만 표기되어 있음을 주의하기 바란다. 안쪽 피스톤 단들(26)도 벽길이(28) 및 외부 폴드(30)를 포함하지만, 본 발명의 명확한 이해를 위해 모두 표기되지는 않았다.
가장 외곽의 피스톤 단(26)은 액추에이터(10)에 대한 벽(18) 역할도 하는 제 1 벽길이(28)를 갖는다. 외부 폴드(30)는 두개의 벽길이(28)를 결합시킨다. 바람직하게 외부 폴드(30)는 벽길이(28)들이 서로 접하도록 한다. 벽길이(28)들은 바람직하게 세로축(16)와 평행하게 이어진다. 또는, 벽길이(28)들은 외부 폴드(30)에서 합쳐져 약 0도에서 약 90도까지의 각을 형성할 수 있다.
일반적으로 선형 액추에이터(10)는 피스톤 헤드(32)와 벽(18)의 제 1 끝단 (20) 사이에 복수의 피스톤 단들(26)과 함께 피스톤 헤드(32)를 포함한다. 또는 단일의 피스톤 단(26)이 피스톤(12)을 형성할 수 있다. 또는, 단일의 피스톤 단(26)이 벽(18)과 피스톤 헤드(32)를 연결할 수 있다.
바람직하게, 각각의 안쪽 피스톤 단(26)은 이웃하는 연속되는 바깥쪽 피스톤 단(26) 보다 직경이 더 적다. 피스톤 단들(26)은 내부 폴드(34)에 의해 상호 연결된다. 내부 폴드(34)는 일체화된 피스톤(12)과 벽(18)의 안쪽에 있는 폴드이다. 내부 폴드(34)는 바깥쪽 피스톤 단(34)으로부터 더 작은 직경을 갖는 안쪽 피스톤 단(34)으로의 이동을 표시한다. 바람직하게, 외부 폴드(30)와 같이 내부 폴드(34)도 두개의 벽길이(28)를 합류시켜, 벽길이(28)들이 서로에 대해 접하고 세로축(16)에 평행하게 이어지도록 한다.
종래의 신축식 선형 액추에이터는 일반적으로 외부 및 내부 피스톤 단 사이에 작동가능한 이동을 제공하기 위해 밀봉을 포함하였다. 그러나 이러한 밀봉은 전형적으로 마손되고 유체를 누출한다. 대조적으로, 본 발명의 내부 폴드(34), 외부 폴드(30) 및 벽길이(28)는 벽(18), 피스톤 단(들)(26) 및 피스톤 헤드(32)를 밀봉 없이 신축적으로 상호결합시켜 피스톤(12) 내에 유체를 함유한다.
바람직하게, 피스톤 헤드(32)는 내부 폴드(34)에 의해 가장 안쪽의 피스톤 단(26)에 일체로 결합된다. 일반적으로 피스톤 헤드(32)는 세로축(16) 및 피스톤 단들(26)과 동축이다. 피스톤 헤드(32)는 가장 안쪽의 피스톤 단(26)으로 특징지워질 수 있다. 일반적으로 피스톤 헤드(32)는 선형 액추에이터(10)가 설치된 물체를 이동시키도록 작용한다. 피스톤 헤드(32)는 물체에 부착될 수 있거나, 또는 피스톤 헤드(32)를 수용하기 위한 크기를 갖는 물체의 슬롯이나 컵에 단순히 충돌할 수 있다. 피스톤 헤드(32)는 스트로크의 길이를 따라 이동하는 축(16)을 따라 확장된다.
바람직하게 피스톤 헤드(32)는 벽(18)의 제 1 끝단(20)과 동일 평면상에 또는 일직선상에 위치한다. 또는 헤드(32)의 일부가 제 1 끝단(20)을 지나 확장될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 헤드(32)는 실질적으로 제 1 끝단(20)과 제 2 끝단(22) 사이에 위치할 수 있다.
도시된 실시예에서, 벽(18)은 피스톤 헤드(32) 및 복수의 피스톤 단들(26)을 둘러싼다. 일반적으로 선형 액추에이터(10)는 가압된 유체의 공급원과 유체 연통되도록 밀봉된다. 바람직하게, 가압된 유체는 제 2 끝단(22)으로부터 유입되어 피스톤 헤드(32) 및 피스톤 단들(26)이 망원경과 같이 축방향으로 확장되도록 한다. 피스톤 헤드(32) 및 안쪽 피스톤 단들(26)은 바깥쪽 피스톤 단들(26)을 지나 슬라이드된다.
충분한 유체 압력이 주어진다면, 각각의 피스톤 단(26)은 외부 폴드(30)에서 펼쳐져서, 두개의 벽길이(28)가 실질적으로 평평한 길이를 형성하도록 한다. 각각의 피스톤 단(26)이 완전 확장되면 각 내부 폴드(34) 또한 펼쳐져서 내부 및 외부 피스톤 단(26)을 연결한다. 바람직하게, 각 피스톤 단(26)의 확장은 피스톤 헤드(32)로 하여금 벽(18)의 축방향 길이 보다 더 큰 스트로크를 통과하여 이동하도록 한다.
도 3은 가압된 유체 발생기(36) 및 개시제(38)를 포함하는 선형 액추에이터(10)를 도시한다. 특정 실시예에서 유체 발생기(36)는 마이크로-가스 발생기이다. 또는 유체 발생기(36)는 선형 액추에이터(10)에 사용하기 위해 적용되는 종래의 에어백 팽창기이다. 이러한 유체 발생기(36)를 포함하는 선형 액추에이터(10)는 불꽃점화(pyrotechnic) 선형 액추에이터(10)라고도 불릴 수 있다.
유체 발생기(36)는 원하는 길이의 스트로크를 거쳐 피스톤(12)을 확장시키기에 충분한 가압된 팽창 가스를 발생시킨다. 바람직하게 유체 발생기(36)는 연장 립(40; extended lip)에 의해 제 2 끝단(22)에 밀봉된다. 유체 발생기(36)는 주름내기(crimpimg), 용접, 리벳작업(riveting) 및 기타 종래의 밀봉 기술을 이용하여 립(40)에 밀봉될 수 있다.
일 실시예에서 유체 발생기(36)는 가스 발생제(44)를 함유하는 하우징(42)으로 구성된다. 하우징(42)은 개시제(38)에 결합된다. 개시제(38)는 가스 발생제(44)를 활성화시켜 가압된 팽창 가스를 생성한다.
개시제(38)는 센서(도시되지 않음)로부터 작동 신호를 수신한다. 센서는 선형 액추에이터(10)의 작동을 요하는 조건을 감지한다. 예를 들어, 센서는 차량이 전복사고 당했음을 감지할 수 있다. 작동 신호가 개시제(38)로 보내어져 가스 발생제(44)를 활성화한다. 가스 발생제(44)는 가압된 팽창 가스를 생성하여 피스톤(12)을 밀어낸다. 제공되는 가압 팽창가스의 양은 선형 액추에이터(10)의 용도에 따라 다르다. 바람직하게, 팽창가스의 압력은 각 피스톤 단(26)을 확장시켜 피스톤(12)을 단동 스트로크를 거쳐 신축식으로 이동시키기에 충분하다. 따라서 피스톤(12)에 접하거나 결합된 물체 또한 이동된다.
예를 들어 유압 유체를 이용한 종래의 선형 액추에이터는 구동 펌프 및 모터 가 유체를 천천히 가압하기 때문에 일반적으로 느리게 전개된다. 압력이 증가하면 피스톤은 확장된다. 본 발명의 센서, 개시제(38) 및 유체 발생기(36)는 함께 가압된 팽창 가스를 매우 신속하게 생성할 수 있다. 이들 구성요소들은 원하는 전개 속도에 따라 약 40 밀리세컨드 이하의 시간에 단동 스트로크를 거쳐 선형 액추에이터(10)를 전개할 수 있다.
도 4a 및 4b를 보면, 본 발명의 또 다른 실시예가 단면도로 도시되어 있다. 도 4a에서 피스톤 헤드(32)는 내부 폴드(34)에 의해 벽(18, 28), 외부 폴드(30) 및 벽길이(28)를 포함하는 단일 피스톤단(26)에 결합된다. 이 실시예에서 벽길이(28) 및 벽(18, 28)은 평행하지 않다. 또한 피스톤 헤드(32)는 축(16)을 따라 위치하여 피스톤 헤드(32)가 실질적으로 제 1 끝단(20) 및 제 2 끝단(22) 사이에 있도록 한다. 바람직하게 피스톤 헤드(32)는 제 1 끝단 및 제 2 끝단(20, 22) 사이의 임의의 지점에 위치할 수 있다. 이러한 방식으로 프로필은 벽(18)의 축길이를 넘어 연장되지 않는다.
도 4a는 또한 피스톤 단들(26)이 완전히 확장되었을 때 선형 액추에이터(10)의 단면 구성을 가공선으로 도시한다. 도시된 스트로크 및 프로필 길이는 비교적 낮은 프로필로도 얻어질 수 있는 긴 스트로크를 나타낸다. 축(16)을 따라 피스톤 헤드(32)를 배치하는 것은 스트로크의 길이에 직접 영향을 미친다. 피스톤 헤드(32)가 실질적으로 제 1 끝단(20) 및 제 2 끝단(22) 사이에 위치하고 충분한 유체의 힘이 가해지면, 스트로크는 적어도 벽(18)의 축길이 정도로 길거나, 바람직하게는 더 길 것이다.
가상의 외곽선은 벽길이(28), 피스톤 헤드(32), 내부 폴드(34) 및 외부 폴드(30)가 신축신 단동 피스톤(12)을 제공하기 위해 어떻게 확장되는지를 도시한다. 상술한 바와 같이, 피스톤 단들(26)은 유체의 압력 때문에 본질적으로 펼쳐진다. 바람직하게 유체는 피스톤(12) 내에 함유된 상태로 있는다. 대안으로서, 피스톤(12)은 유체를 배출하는 개구를 포함할 수 있다.
도 4b는 선형 액추에이터(10)의 또 다른 실시예를 도시한다. 또 다시, 가상의 단면은 피스톤(12)이 완전히 확장되었을 때 구성요소들의 위치를 나타낸다. 본 실시예에서 벽길이(28)는 서로 접하지 않으며, 또는 벽(18)에 평행하지 않다. 대신, 내부 폴드(34) 및 외부 폴드(30)가 벽길이(28)를 약 30도의 각도 α를 형성하도록 배치한다. 바람직하게 액추에이터(10)가 구동되기 전에 피스톤 헤드(32)는 제 1 끝단(20)과 동일 평면에 있다.
도 1a 내지 도 4b를 대체로 보면, 본 발명의 실시예들은 자급식 선형 액추에이터(10)를 제공한다. 유체는 액추에이터(10)내에서 기원하여 액추에이터(10)내에 잔존할 수 있다. 유체는 누출되지 않으며 팽창 가스 발생기(36)는 입증된 에어백 팽창기 기술로부터 적용되어 액추에이터(10)가 유지관리를 필요로 하지 않고 피스톤(12)을 매우 신속하고 신뢰성 있게 전개되도록 한다.
바람직하게 선형 액추에이터(10)는 단일 형태의 모재를 일체화된 하우징(14) 및 피스톤(12)으로 스탬핑함으로써 형성된다. 선형 액추에이터(10)는 더 적은 수의 부품을 포함하여 조립 및 제조 비용을 감소시킨다. 일체화된 하우징(14) 및 피스톤(12)의 구성은 최소의 프로필과 긴 스트로크를 갖는 선형 액추에이터(10)를 제공한 다. 적은 부품이 사용되고 유체가 팽창 가스이므로, 선형 액추에이터(10)는 또한 매우 경량이다.
본 발명의 특징들은 그 용도가 다양하게 응용되도록 한다. 바람직하게 본 발명의 범위 내에 있는 선형 액추에이터(10)는 차량 안전 시스템에 사용된다. 일반적으로, 차량 구성요소들은 경량이고, 신뢰성 있으며, 컴팩트하고, 자급식이며, 저렴해야 하고, 최소한의 유지관리를 요하여야 한다. 차량 안전 시스템은 일반적으로 안전 구성요소들이 매우 빨리 구동되어 반응할 것을 요한다.
도 5는 본 발명에 따른 선형 액추에이터(10)를 포함하는 차량 안전 시스템(46)을 도시한다. 물론 시스템(46)은 본 발명이 이용될 수 있는 많은 예들 중의 하나이다. 예를 들어, 선형의 신축식 액추에이터(10)는 도어의 후미진 곳에 사용될 수 있다. 선형의 신축식 액추에이터(10)를 수동으로 작동하면 쑤셔넣어진(jammed) 도어로부터 출구를 제공할 수 있다. 시스템(46)은 전복 사고 중에 탑승자를 보호하도록 설계된다.
전복되는 동안, 지붕(48)은 일반적으로 차량 내부를 침입하지 않고 차량 전복을 버틴다. 그러나 탑승자(50)의 체격 및 시트(52)의 구조에 따라 전복되는 동안 탑승자의 머리가 지붕(48)에 대하여 던져질 수 있다. 시스템(46)은 이러한 머리 상해를 방지 또는 최소화하고자 한다.
전복 사고가 감지되면, 시스템(46)은 탑승자의 시트(52)가 후방으로 회전되도록 한다. 이렇게 하면 탑승자의 머리와 지붕(48) 사이에 더 큰 틈새(54)가 생겨서 머리 상해를 최소화한다.
시스템(46)은 실질적으로 시트(52)의 후면에 피벗지점(56)을 갖는 시트(52)를 포함한다. 시트(52)는 피벗지점(56)을 중심으로 회전하여 틈새(54)를 증가시킨다. 시트(52)는 시트의 프레임 밑에 실질적으로 시트(52)의 전면에 위치하는 선형 액추에이터(10)에 의해 회전된다. 선형 액추에이터(10)는 제 2 끝단(22)에 밀봉된 유체 발생기(36)를 포함한다. 바람직하게 피벗지점(56) 및 선형 액추에이터(10)는 시트(52)의 각 면에 포함된다.
선형 액추에이터(10)는 시트(52)의 전면을 회전시키기에 필요한 거리만큼 이동시키기 위해 긴 스트로크를 제공하여야 하고 증가된 틈새(54)를 제공하여야 한다. 일반적으로 시트 프레임과 차량 바닥 사이의 공간은 제한되어 있다. 따라서 선형 액추에이터(10)의 프로필은 최소화되어야 한다. 선형 액추에이터(10)는 또한 시트(52)와 탑승자(50)를 작동가능한 거리로 이동시키기에 충분한 힘을 제공하여야 한다. 본 발명의 특정 실시예들은 긴 스트로크, 최소한의 프로필 및 필요한 힘을 제공한다.
도 5는 또한 시스템(46)이 구동되었을 때 탑승자(50)와 시트(52)의 새로운 위치를 가상선으로 도시한다. 시스템(46)은 신호를 전자제어장치(ECU)(도시되지 않음)로 보내는 하나 이상의 센서(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. ECU는 전복사고가 일어난 때를 결정한다.
ECU는 구동 신호를 개시제(38)로 보낸다. 구동 신호는 복수의 선형 액추에이터(10)로 보내질 수 있다. 전술한 바와 같이, 개시제(38)는 유체 발생기(36)를 구동시켜 가압된 팽창 가스를 제공하여 피스톤(12)을 신축적으로 확장시킨다. 확장 피스톤(12)은 시트 프레임의 전단을 위로 이동시킨다. 시트(52)는 피벗지점(56)에서 회전하여 더 큰 틈새(54)가 탑승자의 머리와 지붕(48) 사이에 제공된다.
한가지 구성에서, 시트(52)는 시트(52) 전면의 갑작스런 힘이 가해진 이동에 의해 절단되는 전단핀(58)을 포함할 수 있다. 전단핀(58)은 전복사고가 감지될 때까지 시트(52)가 회전하는 것을 방지한다.
요약컨대, 낮은 프로필과 긴 스트로크를 갖는 저렴하고 경량이며 자급식의 선형 액추에이터(10)가 제공된다. 선형 액추에이터(10)는 또 다른 실시예에서 매우 신속하게 전개되는 원샷 단동식 액추에이터(10)를 제공하도록 적응될 수 있다. "원샷(one-shot)"은 액추에이터(10)가 한번 이용된 다음 교체될 필요가 있을 수 있는 것을 의미한다. 선형 액추에이터(10)는 또한 필요한 이동을 부여하기에 충분한 힘으로 전개된다. 바람직하게 선형 액추에이터(10)는 차량 안전 시스템에 사용되어 차량 탑승자에게 이용가능한 보호를 증가시킬 수 있다.
본 발명은 그것의 정신 또는 필수적인 특징들에서 벗어나지 않고 기타의 특정 형태로도 실행될 수 있다. 상술된 실시예들은 모든 면에서 예시적으로만 간주되어야 하며 제한적인 의미로 해석되어서는 아니된다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 기재내용에 의해서라기 보다는 첨부된 청구범위에 의해 표시된다. 청구범위의 균등 범위 및 균등의 의미에 포함되는 모든 변화는 본 발명의 범위에 포함되어야 한다.

Claims (32)

  1. 세로축을 갖는 선형 액추에이터로서,
    제 1 끝단을 갖고 상기 세로축을 둘러싸는 벽;
    상기 벽의 제 2 끝단에 결합된 유체 발생기; 및
    상기 제 1 끝단에 결합되어, 피스톤의 상면이 상기 세로축을 따라 위치하도록 하는 단동 피스톤으로 구성되고,
    상기 피스톤은 가압된 유체가 상기 벽의 상기 제 2 끝단으로부터 가해질 때 연속적으로 전개가능한 복수의 피스톤 단들로 구성되는 선형 액추에이터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 유체 발생기는 상기 벽의 상기 제 2 끝단으로부터 연장된 립(lip)에 밀봉되는 선형 액추에이터.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 벽과 피스톤은 단일 형태의 가단성 재질로부터 일체로 성형되는 선형 액추에이터.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 벽과 피스톤은 가단성 재질로 만들어지는 선형 액추에이터.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 벽과 피스톤은 강성 재질로 만들어지는 선형 액추에이터.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 벽과 피스톤은 플라스틱으로 만들어지는 선형 액추에이터.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 벽과 피스톤은 금속으로 만들어지는 선형 액추에이터.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 피스톤은 상기 벽의 상기 축 길이 이상의 스트로크를 갖는 선형 액추에이터.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 피스톤은 상기 제 1 끝단과 일체화되어 유체가 상기 제 1 끝단을 지나치는 것을 방지하는 선형 액추에이터.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 피스톤의 상기 상면은 상기 제 1 끝단과 실질적으로 동일 평면에 상기 축을 따라 위치하는 선형 액추에이터.
  13. 제 1 끝단, 제 2 끝단 및 중심축을 갖는 원통형 벽;
    상기 원통형 벽의 상기 제 2 끝단에 결합된 유체 발생기;
    상기 제 1 끝단에 결합되고 상기 벽과 동축이며 실질적으로 상기 제 1 끝단과 상기 제 2 끝단 사이에 위치하는 원통형 피스톤 단; 및
    상기 피스톤 단에 결합되고 상기 피스톤 단과 동축인 피스톤 헤드로 구성되는 선형 액추에이터.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 제 1 끝단과 상기 피스톤 헤드를 연결하는 복수의 상호결합된 원통형 피스톤 단들로 더 구성되는 선형 액추에이터.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 벽의 상기 제 1 끝단, 피스톤 헤드 및 피스톤 단들은 신축적으로 상호결합된 선형 액추에이터.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 벽은 상기 피스톤 헤드 및 상기 피스톤 단들을 둘러싸는 선형 액추에이터.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 벽의 상기 제 1 끝단, 상기 피스톤 헤드 및 피스톤 단들은 상호결합되어 유체의 통과를 방지하는 선형 액추에이터.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 유체 발생기는 상기 제 2 끝단에 밀봉되는 선형 액추에이터.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 피스톤 헤드 및 피스톤 단들은 상기 유체 발생기에 의해 공급되는 가압된 유체에 대응하여 신축적으로 전개되는 선형 액추에이터.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 피스톤 헤드 및 피스톤 단들은 상기 벽의 상기 축 길이 보다 더 큰 스트로크를 거쳐 상기 중심축을 따라 전개되는 선형 액추에이터.
  21. 청구항 20에 있어서, 상기 벽, 피스톤 헤드 및 피스톤 단들은 단일 형태의 가단성 재질로부터 일체로 성형되는 선형 액추에이터.
  22. 제 1 끝단, 제 2 끝단 및 중심축을 갖는 원통형 벽;
    상기 제 1 끝단에 결합되고 상기 벽에 의해 둘러싸여진 원통형 피스톤;
    상기 제 2 끝단에 밀봉되는 팽창가스 발생기; 및
    상기 발생기에 결합된 개시제로 구성되는 선형 액추에이터로서,
    상기 피스톤은 신축적으로 상호결합된 복수의 피스톤 단들 및 피스톤 헤드로 구성되어, 상기 피스톤 헤드 및 피스톤 단들이 상기 선형 액추에이터가 전개되기 전에 실질적으로 상기 제 1 끝단 및 상기 팽창가스 발생기 사이에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 선형 액추에이터.
  23. 삭제
  24. 청구항 22에 있어서, 상기 팽창가스 발생기는 마이크로-가스 발생기로 구성되는 선형 액추에이터.
  25. 청구항 22에 있어서, 상기 피스톤의 스트로크는 상기 벽의 상기 축 길이보다 큰 선형 액추에이터.
  26. 청구항 22에 있어서, 상기 피스톤은 상기 벽의 상기 제 1 끝단에 결합되어 팽창가스의 통과를 방지하는 선형 액추에이터.
  27. 청구항 22에 있어서, 구동 신호에 대응하여 상기 개시제는 상기 팽창가스 발생기를 활성화하여 가압된 팽창가스를 생성하고, 상기 팽창가스는 상기 피스톤으로 하여금 신축적으로 전개되도록 하여 단동 스트로크를 완성하는 선형 액추에이터.
  28. 세로축을 갖는 선형 액추에이터로서,
    제 1 끝단을 갖고 상기 축을 둘러싸는 벽;
    상기 벽의 제 2 끝단에 결합된 유체 발생기; 및
    상기 제 1 끝단에 결합되어 피스톤의 상면이 상기 축을 따라 위치하도록 하고, 상기 벽의 상기 제 2 끝단으로부터 가압된 유체가 가해질 때 연속해서 전개가능한 복수의 피스톤 단들로 구성되는 단동 피스톤으로 구성되는 선형 액추에이터.
  29. 청구항 28에 있어서, 상기 벽의 상기 제 1 끝단, 피스톤 및 피스톤 단들은 신축적으로 상호결합된 선형 액추에이터.
  30. 청구항 29에 있어서, 상기 벽은 상기 피스톤 단들을 둘러싸는 선형 액추에이터.
  31. 청구항 30에 있어서, 상기 벽의 상기 제 1 끝단, 피스톤 및 피스톤 단들은 상호결합되어 유체의 통과를 방지하는 선형 액추에이터.
  32. 청구항 31에 있어서, 상기 유체 발생기는 상기 벽의 상기 제 2 끝단에 밀봉되는 선형 액추에이터.
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