KR101070500B1 - 액츄에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액츄에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명은 액츄에이터에서 구동 주축의 운동궤적을 감지하는 포텐셔미터를 개선한 액츄에이터에 관한 것이다.
본 발명의 다른 일례에 따른 액츄에이터는 구동 모터로부터 기계적 회전 운동을 전달받아 원하는 대상 객체를 제어하기 위해 운동하는 구동 주축; 구동 주축에 고정 연결되어 구동 주축의 운동에 따라 함께 운동하는 압점용 측정핀; 및평면 형태로 구비되며, 구동 주축의 운동 궤적을 감지하기 위하여 압점용 측정핀의 압력에 의해 접촉되는 압점의 위치를 평면상에 입력받아 전기적 위치 값으로 변환하여 출력하는 압점식 위치감지부;를 포함한다.
액츄에이터, 포텐셔미터, 운동 궤적

Description

액츄에이터{Actuator}
본 발명은 액츄에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명은 액츄에이터에서 구동 주축의 운동궤적을 감지하는 포텐셔미터를 개선한 액츄에이터에 관한 것이다.
액츄에이터(Actuator)란 전기적 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환하는 것으로 자동차, 건물 자동화 설비 및 자동 밸브 조절 장치 등 여러 분야에서 이용된다.
이와 같은 액츄에이터에는 공기압식, 유압식, 전기식 등 그 종류가 다양하며, 각 종류에 따라 액츄에이터에 포함되는 구동 주축이 선형 운동을 하거나 회전 운동을 하는 경우가 있다. 이와 같은 액츄에이터에는 구동 주축의 위치를 감지하기 위한 포텐셔미터(Potentiometer)가 일반적으로 포함된다.
이와 같은 포텐셔미터는 구동 주축의 위치를 감지하여 사용자나 액츄에이터를 제어하는 제어 장치에 구동 주축이 어느 위치에 있는지 알려주는 기능을 한다.
도 1a 내지 도 1c는 이와 같은 종래의 액츄에이터에서 포텐셔미터의 문제점 을 설명하기 위한 도이다.
도 1a의 (a), (b)는 구동 주축이 선형 운동을 하는 선형 액츄에이터의 일례이다.
도시된 바와 같이, 선형 액츄에이터는 구동 모터(1)를 통하여 전달되는 기계적 회전 운동을 구동 주축에 포함되는 리드넛(2)(Lead nut)과 선형 샤프트(3a)(Linear Shaft)가 전달받아 화살표 방향의 선형 운동으로 전환하여 선형 샤프트(3a)의 말단부(4a)에 연결되는 대상 객체를 제어하게 된다.
이때, 구동 주축의 기계적 위치를 감지하여 전기적 위치 신호로 출력하는 포텐셔미터(9)가 도시된 바와 같이 구비된다.
이때, 구동 주축의 기계적 위치는 리드넛(2)에 고정된 드라이브 기어(5a)와 제 1 연결기어(6), 제 2 연결기어(7)와 드라이븐 기어(8)를 통하여 포텐셔미터(9)에 전달된다.
도 1b의 (a), (b)는 구동 주축이 회전 운동을 하는 액츄에이터의 일례이다.
도시된 바와 같이 구동 주축이 회전 운동을 하는 액츄에이터는 리드넛(2)에 요크암(3b)이 연결되어, 리드넛(2)이 선형 운동을 하는 경우, 구동 주축인 요크암(3b)이 회전운동을 함으로써 요크암(3b)의 말단부(4b)에 연결되는 대상 객체를 제어한다.
한편, 이와 같은 종래의 액츄에이터는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 도 1a에 도시된 바와 같은 선형 액츄에이터는 드라이브 기어(5a)와 제 1 연결기어(6) 사이의 틈새 및 제 2 연결이어와 드라이븐 기어(8) 사이의 틈새에 의해서 측정값이 부정확해지는 백러쉬(Back Rush)가 발생하게 되며, 틈새에 의한 측정값의 자유 변화로 인하여 불필요한 운전의 반복(hunting현상, 난조현상 또는 hysteresis 이력현상(履歷現象)이라고도 함.)이 이루어져 액츄에이터의 수명을 단축시키는 문제점이 있다. 이와 같은 백러쉬(Back Rush)는 구동 주축이 회전운동을 하는 도 1b의 (a), (b)의 경우에도 동일하게 발생하게 되는데, 보다 상세히 설명하면, 도 1b의 (a), (b)에서 요크암(3b)에 고정된 드라이브 기어(5b)와 포텐셔미터(9)에 연결된 드라이븐 기어(8) 사이의 틈새에 의해서 측정값이 부정확해지는 백러쉬(Back Rush)가 발생하게 되는 것이다.
둘째, 이와 같은 종래의 액츄에이터에 포함되는 포텐셔미터(9)는 도 1c와 같이 전기 전도성 도체인 고정편(9a)과 가동편(9b)을 포함한다. 가동편(9b)은 구동 주축의 운동에 따라 전도체인 고정편(9a) 위를 직접 슬라이딩하게 된다. 이때, 고정편(9a)의 AB단에 걸리는 전압은 가동편(9b)의 C단에 의해 전압 분배가 이루어지며, AC단 사이의 전압 크기를 구동 주축의 현재 위치로 감지하게 된다. 한편 이와 같이 전도체인 가동편(9b)이 전도체인 고정편(9a) 위를 직접 슬라이딩하는 경우, 가동편(9b)과 고정편(9a)은 서로 마찰에 의해 마모되는 문제점이 있다. 이와 같은 마모는 포텐셔미터(9)의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.
또한, 셋째, 전술한 바와 같이 구동 주축에 기어를 통하여 연결되는 구조는 드라이브 기어(5a, 5b)와 드라이븐 기어(8)의 위치 및 포텐셔미터(9)의 동작 범위 및 구동 주축의 운동 궤적에 대한 최대 및 최소 한계값을 함께 고려하여 액츄에이터 내부에 설치되어야 하므로 설치에 번거로운 문제점이 있다.
본 발명은 구동 주축의 운동 궤적을 감지하는 압점식 위치감지부를 개선함으로써, 구동 주축과 압점식 위치감지부 사이에 연결기어를 제거함으로써 백러쉬(Back Rush)를 제거하며, 압점용 측정핀과 접촉하는 압점식 위치감지부에 일측면이 플라스틱 계열의 고분자 물질이 되도록 함으로써 압점식 위치감지부의 수명을 향상시켜 전체적으로 액츄에이터의 내구성을 향상시킬 수 있는 액츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일례에 따른 액츄에이터는 구동 모터로부터 기계적 회전 운동을 전달받아 원하는 대상 객체를 제어하기 위해 운동하는 구동 주축; 및 구동 주축으로부터 구동 주축의 운동 궤적을 평면상에 직접 입력받아 구동 주축의 위치 값을 전기적 위치 값으로 변환하여 출력하는 평면 형태의 압점식 위치감지부;를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 일례에 따른 액츄에이터는 구동 모터로부터 기계적 회전 운동을 전달받아 원하는 대상 객체를 제어하기 위해 운동하는 구동 주축; 구동 주축에 고정 연결되어 구동 주축의 운동에 따라 함께 운동하는 압점용 측정핀; 및평면 형태로 구비되며, 구동 주축의 운동 궤적을 감지하기 위하여 압점용 측정핀의 압력에 의해 접촉되는 압점의 위치를 평면상에 입력받아 전기적 위치 값으로 변환하여 출력하는 압점식 위치감지부;를 포함한다.
여기서, 압점식 위치감지부는 일측면이 플라스틱 계열의 고분자 물질로 형성되어 압점용 측정핀과 접촉되며 타측면이 전기 전도성의 제 1 도전층을 포함하는 제 1 필름; 및 제 1 필름과 이격되어 형성되며, 압점에서 제 1 도전층과 전기적으로 접촉되는 전기 전도성의 제 2 도전층을 포함하는 제 2 필름;을 포함할 수 있다.
또한, 압점용 측정핀은 제 1 필름에 접촉되는 말단부를 포함하며, 말단부는 제 1 필름과의 마찰을 감소하기 위한 롤링부;를 포함할 수 있다.
또한, 압점식 위치감지부는 압점용 측정핀이 제 1 필름에 접촉되는 압점의 X 좌표 값을 감지하는 제 1, 2 X좌표 감지부; 및 압점용 측정핀이 제 1 필름에 접촉되는 압점의 Y 좌표 값을 감지하는 제 1, 2 Y좌표 감지부;를 포함할 수 있다.
또한, 액츄에이터는 압점식 위치감지부의 제 1, 2 X 좌표 감지부 각각으로부터 출력되는 값들을 입력받아 X좌표 값을 계산하고, 압점식 위치감지부의 제 1, 2 Y 좌표 감지부 각각으로부터 출력되는 값들을 입력받아 Y좌표 값을 계산하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 제어부는 X좌표 값의 미세 변화량 값 및 Y좌표 값의 미세 변화량을 계산하고, 구동 주축의 운동에 따른 미세 궤적 거리를 계산하는 다음의 수학식에 의해 계산할 수 있다.
[수학식]
Figure 112009051414592-pat00001
여기서, X1은 이전 시점의 X좌표 값, X2는 현재 시점의 X좌표 값, Y1은 이전 시점의 Y좌표 값, Y2는 현재 시점의 Y좌표 값,
Figure 112009051414592-pat00002
는 X좌표 값의 미세 변화량,
Figure 112009051414592-pat00003
는 Y좌표 값의 미세 변화량,
Figure 112009051414592-pat00004
은 구동 주축의 운동에 따른 미세 궤적 거리를 의미한다.
또한, 제어부는 구동 주축의 현재 위치 값을 구동 주축의 이전 시점에서의 위치 값에 미세 궤적 거리를 합하는 다음의 수학식에 의해 계산할 수 있다.
[수학식]
Figure 112009051414592-pat00005
여기서, LOld는 이전 시점에서 구동 주축의 위치 값, LNew는 현재 시점에서 구동 주축의 위치 값을 의미한다.
본 발명에 따른 액츄에이터는 압점식 위치감지부가 구동 주축으로부터 구동 주축의 운동 궤적을 평면상에 직접 입력받도록 개선함으로써, 백러쉬(Back Rush)를 제거하는 효과가 있으며, 압점용 측정핀과 접촉하는 압점식 위치감지부에 일측면이 플라스틱 계열의 고분자 물질이 되도록 함으로써 압점식 위치감지부의 수명을 향상시켜 전체적으로 액츄에이터의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 액츄에이터는 구동 주축과 압점식 위치 감지부를 포함한다.
구동 주축은 구동 모터로부터 기계적 회전 운동을 전달받아 원하는 대상 객체를 제어하기 위해 운동하는 기능을 하며, 이와 같은 구동 주축은 액츄에이터의 종류에 따라 선형운동을 하거나 회전운동을 할 수 있다.
압점식 위치감지부는 평면 형태로 구비되며 구동 주축의 운동에 따른 궤적을 연결기어 통하지 아니하고 평면상에 구동 주축으로부터 직접 입력받아 구동 주축의 위치 값을 전기적 위치 값으로 변환하여 출력하는 기능을 하는 것으로 통상적으로 포텐셔미터(Potentiometer)라고도 표현될 수 있으나 반드시 위치 지시계로 표현될 수도 있다.
여기서 구동 주축의 운동에 따른 궤적을 평면상에 구동 주축으로부터 직접 입력받는 것이라 함은 구동 주축의 직선 또는 회전 운동에 따른 구동 주축의 위치 값을 구동 주축에 연결된 드라이브 기어와 맞물린 드라이븐 기어에 고정된 가동편이 고정편의 전도체 위를 직접 슬라이딩함으로써 가동편이 있는 위치에 따라 저항의 변화 값으로 감지하는 종래의 포텐셔미터와 다르게, 구동 주축의 직선 또는 회전 운동에 따른 궤적을 구동 주축에 고정 연결되어 연결기어 없이 구동 주축의 운동 궤적에 따라 함께 운동하는 압점용 측정핀을 통하여 평면상에 직접 입력받는 것을 의미한다. 이때, 평면상에 입력되는 방식은 압점용 측정핀이 전도체 위를 직접 슬라이딩하는 것이 아니라 상대적으로 마모가 작고 탄성이 있는 플라스틱 계열의 비전도체 물질 위를 슬라이딩하도록 함으로써 압점용 측정핀에 의한 압점의 위치를 간접적으로 입력받되, 비전도체의 후면에 형성되는 전기 전도성 물질이 서로 접촉되도록 함으로써 전도체의 마모가 전혀 없이 압점용 측정핀의 압력에 의한 압점의 위치를 감지하는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 선형 액츄에이터의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2의 (a), (b)는 선형 액츄에이터를 측면에서 바라본 형태이고, (b)는 상측에서 내려다본 형태이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일례에 따른 선형 액츄에이터는
구동 모터(10), 구동 주축(50, 60a), 압점용 측정핀(70) 및 압점식 위치감지부(80)를 포함하며, 최소 리미트 스위치(121)와 최대 리미트 스위치(122)를 포함하는 리미트 스위치부(120)를 더 포함할 수 있다.
구동 모터(10)는 입력되는 제어 신호에 따라 구동 모터(10) 내부에 포함되는 로터(Rotor)를 회전시키는 기능을 한다. 이와 같이 로터가 회전하면 로터에 고정 연결된 로터 샤프트(20)(Rotor Shaft)는 기계적 회전 운동을 하여 로터 샤프트(20)에 맞물려 있는 웜기어(30)를 회전시킨다.
이와 같이 웜기어(30)가 회전을 하면 웜기어(30)와 축이 고정된 리드 샤프트(40)(Lead Shaft)가 회전을 하게 된다. 이와 같이 리드 샤프트(40)가 회전하면 리드넛(50)(Lead Nut)과 선형 샤프트(60a)(Linear Shaft)를 포함하는 구동 주축(50, 60a)은 화살표 방향으로 선형 운동하여 선형 샤프트(60a)의 말단부(61a)에 연결되는 대상 객체를 제어하는 것이다. 여기서, 구동 주축(50, 60a)의 말단 부(61a)에 연결되는 대상 객체는 밸브가 될 수 있다.
이와 같은 구동 주축(50, 60a)에 포함되는 리드넛(50)의 돌출부는 액츄에이터의 바디 부분에 형성된 함몰부 부분에 삽입되어 리드 사프트가 회전 운동을 하더라도 리드넛(50)이 회전하지 아니하고 구동 주축(50, 60a) 방향과 나란하게 표시된 화살표 방향으로 선형 운동할 수 있도록 하는 것이다.
압점용 측정핀(70)은 이와 같은 구동 주축(50, 60a)에 고정 연결되어 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동에 따라 함께 선형 운동함으로써 구동 주축(50, 60a)의 운동 궤적을 압점식 위치감지부(80)의 평면상에 그대로 전달하는 기능을 한다. 여기서 압점용 측정핀(70)은 구동 주축(50, 60a)의 리드넛(50)에 고정 연결된 것을 일례로 설명하였지만, 이와 다르게 구동 주축(50, 60a)의 선형 샤프트(60a)에 고정 연결될 수도 있다. 또한, 이와 같은 압점용 측정핀(70)은 비전도성 물질일 수 있다.
압점식 위치감지부(80)는 도시된 바와 같이 평면 형태로 구비되며, 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동에 따른 궤적을 감지하기 위하여 압점용 측정핀(70)의 압력에 의해 접촉되는 압점의 위치를 평면상에 그대로 입력받아 전기적 위치 값으로 변환하여 출력하는 기능을 한다. 이와 같은 압점식 위치감지부(80)의 출력단은 압점식 위치감지부(80)로부터 신호를 출력받아 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동에 따른 궤적을 계산하여 구동 주축(50, 60a)의 현재 위치를 감지하는 제어부에 전기적으로 연결된다.
이와 같이 본 발명에 따른 액츄에이터는 도 1a 또는 도 1b에 도시된 포텐셔 미터와 구동 주축(50, 60a) 사이의 연결 기어인 드라이브 기어(5a, 5b))와 드브라이븐 기어(8)를 통하지 아니하고, 구동 주축(50, 60a)에 직접 고정 연결된 압점용 측정핀(70)을 통하여 구동 주축(50, 60a)의 운동 궤적을 압점식 위치감지부(80)로 직접 입력받음으로써 종래에 문제되었던 백러쉬 현상(Back Rush)을 제거할 수 있어 구동 주축(50, 60a)의 운동 궤적을 보다 정확하게 감지할 수 있는 효과가 있다.
이와 같은, 압점용 측정핀(70)과 압점식 위치감지부(80)에 대해서는 도 3a 내지 3d를 통하여 보다 상세하게 설명한다.
다음, 리미트 스위치부(120)는 최소 리미트 스위치(121)와 최대 리미트 스위치(122)를 포함한다.
최소 리미트 스위치(121)는 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동에 따른 궤적이 미리 설정된 최소 한계 값 이하가 되는 경우, 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동을 정지시키는 기능을 하며, 최대 리미트 스위치(122)는 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동에 따른 궤적이 미리 설정된 최대 한계 값을 넘어서는 경우, 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동을 정지시키는 기능을 한다.
보다 상세하게 설명하면, 구동 주축(50, 60a)에 포함되는 리드넛(50)에 고정 연결된 드라이브 기어(90)가 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동에 따라 함께 선형 운동을 하면 드라이브 기어(90)와 맞물린 드라이븐 기어(100)는 회전 운동을 하게 된다. 이와 같은 드라이븐 기어(100)의 축에 고정 연결된 최대 리미트 캠(112) 또는 최소 리미트 캠(111)을 포함하는 리미트 캠(110)가 회전하여 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동에 따른 궤적이 미리 설정된 최소 한계 값 이하가 되거나 미리 설정된 최 대 한계 값을 넘어서는 경우 최소 리미트 스위치(121) 또는 최대 리미트 스위치(122)에 압력을 가하여 턴 온 시킴으로써 최소 리미트 스위치(121) 또는 최대 리미트 스위치(122)가 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동을 정지시키기 위하여 구동 모터(10)를 제어하는 신호를 출력하게 되는 것이다. 결국 최소 리미트 스위치(121) 또는 최대 리미트 스위치(122)가 구동 모터(10)를 정지시킴으로써 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동이 정지되는 것이다. 이와 같은 최소 리미트 스위치(121)나 최대 리미트 스위치(122)의 출력단은 액츄에이터의 구동 모터(10)를 제어하는 제어부에 전기적으로 연결된다.
도 3a 내지 3d는 압점용 측정핀과 압점식 위치감지부를 보다 상세하게 설명하기 위한 도이다.
도 3a는 압점식 위치감지부(80)와 압점용 측정핀(70)을 보다 확대한 그림으로, 압점식 위치감지부(80)의 일측면에는 제어부와 전기적으로 연결하기 위한 커넥터 기능을 하는 출력단(89)이 포함된다.
또한, 압점용 측정핀(70)은 구동 주축(50, 60a)에 고정연결되는 연결 부재(71)를 통하여 구동 주축(50, 60a)에 고정 연결된다. 여기서, 연결 부재(71)는 압점용 측정핀(70)이 압점식 위치감지부(80)의 평면상에 적절한 압력으로 접촉될 수 있도록 하는 탄성 물질이 포함될 수 있다.
여기서, 압점식 위치감지부(80)의 구조에 대해서 보다 상세히 살펴보면 다음의 도 3b와 같다.
도 3b와 같이 압점식 위치감지부(80)는 제 1 필름(81), 제 2 필름(82) 및 좌 표 감지부(83)를 포함할 수 있다.
제 1 필름(81)은 압점용 측정핀(70)과 접촉되는 일측면(81a)이 플라스틱 계열의 고분자 물질로 형성될 수 있으며, 타측면은 전기 전도성의 제 1 도전층(81b)을 포함할 수 있다.
여기서, 플라스틱 계열의 고분자 물질은 압점용 측정핀(70)이 압력을 가하였을 때, 압점용 측정핀(70)의 압력이 가해지는 압점에서 제 1 도전층(81b)이 제 2 도전층(82b)에 전기적으로 접촉될 수 있도록 하는 탄성을 지닐 수 있으며, 제 1 도전층(81b)과 제 2 도전층(82b)은 전기 전도성만 있으면 어떠한 물질로도 형성될 수 있으며, 그 예로는 금(Au), 은(Ag), 동(Cu), ITO(Indium Tin Oxide) 등이 있다.
제 2 필름(82)은 제 1 필름(81)과 이격되어 형성되며, 압점용 측정핀(70)의 압력에 의해 접촉되는 압점에서 제 1 도전층(81b)과 전기적으로 접촉되는 전기 전도성의 제 2 도전층(82b)을 포함할 수 있다. 또한, 이와 같은 제 2 필름(82)은 제 2 도전층(82b)이 고정되도록 지지하는 글라스(82a)(Glass)를 포함할 수 있다.
좌표 감지부(83)는 압점용 측정핀(70)이 제 1 필름(81)에 접촉되는 압점의 X, Y 좌표를 감지하고, 소정의 부피를 지니고 있어 제 1 필름(81)과 제 2 필름(82) 사이에 이격된 공간을 형성할 수 있다. 또한, 좌표 감지부(83)의 양측면에는 양면 테이프를 코팅하여 제 1 필름(81)과 제 2 필름(82)이 서로 고정되도록 할 수 있다.
또한, 이와 같은 좌표 감지부(83)는 압점용 측정핀(70)이 제 1 필름(81)에 접촉되는 압점의 X 좌표 값을 감지하는 제 1 X좌표 감지부(XL) 및 제 2 X좌표 감지부(XR)를 포함할 수 있으며, 압점용 측정핀(70)이 제 1 필름(81)에 접촉되는 압점 의 Y 좌표 값을 감지하는 제 1 Y좌표 감지부(YL) 및 제 2 Y좌표 감지부(YH)를 포함할 수 있다.
이와 같은 압점식 위치감지부(80)에 압점용 측정핀(70)의 압력에 의해 접촉되는 압점이 형성되는 방법은 다음의 도 3c와 같다.
도 3c의 (a)에 도시된 바와 같이, 압점용 측정핀(70)의 압점식 위치감지부(80)의 제 1 필름(81)에 접촉하여 압력을 가하면, 탄성이 있는 제 1 필름(81)은 도시된 바와 같이 압력이 가해지는 지점 A가 휘어지게 된다. 이와 같은 경우 제 1 필름(81)의 제 1 도전층(81b)과 제 2 필름(82)의 제 2 도전층(82b)은 A 지점에서 서로 접촉하게 되어 압점을 형성하게 되며, 이와 같이 압점이 형성되는 A 지점의 전위차 값을 제 1, 2 X좌표 감지부(XL, XR) 및 제 1, 2 Y좌표 감지부(YH, YL)가 감지하여 출력하게 되면, 제어부에서 X, Y 좌표값을 계산함으로써 구동 주축(50, 60a)의 현재 위치를 알 수 있는 것이다. 이에 대한 보다 상세한 설명은 도 3d를 통하여 한다.
여기서, 압점용 측정핀(70)은 도 3c의 (b)에 도시된 바와 같이 말단부가 형태로 구비될 수 있으나, 압점식 위치감지부(80)와의 마찰을 줄여 압점용 측정핀(70)이나 압점식 위치감지부(80)의 제 1 필름(81)의 마모를 최소화하기 위하여, 도 3c의 (c)에 도시된 바와 같이 압점용 측정핀(70)의 말단부(70c)에 롤링부(70a)를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 롤링부(70a)는 압점용 측정핀(70)의 말단부(70c)의 함몰된 공간내에 삽입되어 형성될 수 있으며, 적절한 압력이 가해질 수 있도록 하는 스프링(70b) 이 도시된 바와 같이 롤링부(70a)와 말단부(70c) 사이에 더 포함될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 압점식 위치감지부(80)는 종래에 전도체인 가동편이 전도체인 고정편 위를 직접 슬라이딩하여 구동 주축(50, 60a)의 운동 궤적에 따른 현재 위치를 감지하는 것과 달리 제 1 필름(81)에서 압점용 측정핀(70)과 접촉되는 일측면을 비전도성 물질인 플라스틱 계열의 고분자 물질을 사용하고 압점용 측정핀(70)이 제 1 필름(81)의 일측면에 압력을 가함으로써 제 1 필름(81)의 타측면에 형성된 제 1 도전층(81b)이 제 2 필름(82)의 제 2 도전층(82b)과 접촉되도록 하여 압점의 위치를 감지함으로써 구동 주축(50, 60a)의 운동 궤적에 따른 현재 위치를 감지하도록 하는 방식은 제 1 도전층(81b)이나 제 2 도전층(82b)이 서로 마찰을 일으키지 않도록 하여 마모를 방지하는 효과가 있다.
이와 같은 마모 방지는 결국 압점식 위치감지부(80)의 수명을 현저하게 증가시키는 효과가 있다. 예를 들면, 종래의 경우, 포텐셔미터의 수명이 10만 ~30만 Cycles 정도였다면, 본 발명에 따를 경우 대략 100만 Cycles까지 수명을 연장시키는 효과가 있다.
여기서, 좌표 감지부(83)가 압점의 위치를 감지하는 방법은 도 3d의 (a)에 도시된 바와 같다. 도 3d의 (a)에 도시된 바와 같이 압점용 측정핀(70)의 압력에 의해 평면 형태로 구비되는 압점식 위치감지부(80)에 포함되는 제 1 도전층(81b)과 제 2 도전층(82b)이 접촉되어 A 지점에 압점이 형성된 경우, 먼저 X좌표를 감지하기 위해 제 1 X좌표 감지부(XL)는 A 지점에서 제 1 X좌표 감지부(XL)까지의 전위차 xe1을 감지하고, 제 2 X좌표 감지부(XR)는 A 지점에서 제 2 X좌표 감지부(XR)까지 의 전위차 xe2를 감지하여 각각의 전위차 값을 제어부로 출력한다. 액츄에이터에 포함되는 제어부(미도시)는 압점식 위치감지부(80)의 제 1, 2 X 좌표 감지부(XL, XR) 각각으로부터 출력되는 xe1과 xe2 값들을 입력받아 각각의 값의 비를 비교하여 X좌표 값을 계산할 수 있는 것이다.
Y좌표를 감지하는 경우에도, 제 1 Y좌표 감지부(YL)는 A 지점에서 제 1 Y좌표 감지부(YL)까지의 전위차 ye1을 감지하고, 제 2 Y좌표 감지부(YH)는 A 지점에서 제 2 Y좌표 감지부(YH)까지의 전위차 ye2를 감지하여 각각의 전위차 값을 제어부로 출력한다. 액츄에이터에 포함되는 제어부(미도시)는 압점식 위치감지부(80)의 제 1, 2 Y 좌표 감지부(YH, YL) 각각으로부터 출력되는 ye1과 ye2 값들을 입력받아 각각의 값의 비를 비교하여 Y좌표 값을 계산할 수 있는 것이다. 이와 같이 함으로써 제어부는 압점식 위치감지부(80)에 감지되는 압점 A의 위치를 감지할 수 있는 것이다.
한편, 좌표 감지부(83)가 전위차 값을 출력하고 이를 이용하여 제어부가 X, Y 좌표를 계산하는 것을 일례로 설명하였으나, 이와 다르게 좌표 감지부(83)가 전류값이나 저항값을 출력하고 이를 이용하여 제어부가 X, Y 좌표를 계산할 수도 있다.
여기서, 압점 A지점의 X, Y 좌표를 이용하여 제어부가 구동 주축(50, 60a)의 현재 위치 값을 계산하는 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 압점식 위치감지부(80)의 설치에 따라 선형 운동을 하는 구동 주축(50, 60a)의 운동 궤적은 도 3d의 (b)나 (c)와 같이 될 수도 있고, 액추에이터의 종류에 따라 구동 주축이 회전 운동을 하는 경우, 구동 주축의 운동 궤적은 도 3d의 (d)와 같이 될 수도 있다.
여기서, 구동 주축(50, 60a)이 선형운동을 하는 경우, 도 3d의 (c)를 예로 들면 다음과 같다. 먼저 구동 주축(50, 60a)의 선형 운동 궤적의 범위가 Min ~ Max이고, 구동 주축(50, 60a)의 이전 시점 위치가 LOld인 경우, 구동 주축(50, 60a)의 이전 시점의 위치인 LOld의 위치는 X1, Y1의 좌표 값을 가지게 된다.
여기에서, 구동 주축(50, 60a)이 화살표 방향으로 선형운동을 하는 경우, 제어부는 X좌표 값의 미세 변화량 값 및 Y좌표 값의 미세 변화량을 계산하고, 구동 주축(50, 60a)의 운동에 따른 미세 궤적 거리를 계산하는 다음의 수학식에 의해 계산할 수 있다.
Figure 112009051414592-pat00006
여기서, X1은 현재 시점의 X좌표 값, X2는 이전 시점의 X좌표 값, Y1은 현재 시점의 Y좌표 값, Y2는 이전 시점의 Y좌표 값,
Figure 112009051414592-pat00007
는 X좌표 값의 미세 변화량,
Figure 112009051414592-pat00008
는 Y좌표 값의 미세 변화량,
Figure 112009051414592-pat00009
은 구동 주축(50, 60a)의 운동에 따른 미세 궤적 거리를 의미한다.
이와 같이 구동 주축(50, 60a)의 이전 시점의 위치인 LOld에서 구동 주축(50, 60a)의 운동에 따른 미세 궤적 거리
Figure 112009051414592-pat00010
이 구해진 경우, 제어부는 구동 주축(50, 60a)의 현재 위치 값을 구동 주축(50, 60a)의 이전 시점에서의 위치 값에 미세 궤적 거리를 합하는 다음의 수학식 2를 통하여 계산함으로써 구동 주축(50, 60a)의 현재 위치 값을 구할 수 있는 것이다.
Figure 112009051414592-pat00011
여기서, LOld는 이전 시점에서 구동 주축(50, 60a)의 위치 값, LNew는 현재 시점에서 구동 주축(50, 60a)의 위치 값을 의미한다.
이와 같이 제어부는 압점식 위치감지부(80)로부터 출력되는 값을 실시간으로 입력받아 구동 주축(50, 60a)의 전체 운동 궤적 Min ~ Max 중에서 구동 주축(50, 60a)의 현재 위치 LNew가 어디인지 정확하게 파악할 수 있는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따른 액츄에이터는 압점식 위치감지부(80)를 액츄에이터 내부에 설치할 경우, 종래에 문제되었던 드라이브 기어(90)와 드라이븐 기어(100)의 위치를 별도로 고려할 필요가 없으며, 도 3d의 (b), (c)와 같이 압점식 위치감지부(80)의 XY좌표 방향을 별도로 고려할 필요가 없으므로 보다 용이하게 액츄에이터 내부에 설치가 가능한 효과가 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 액츄에이터의 구동 주축(50, 60a)이 선형 운동을 하는 경우뿐만 아니라 도 3d의 (d)와 같이 회전 운동을 하는 경우에도, 회전 운동의 궤적 Min ~ Max 중에서 구동 주축의 현재 위치 값을 구하여 구동 주축이 어느 정도 회전하였는지 파악할 수 있는 것이다.
여기서, 액츄에이터의 구동 주축이 회전 운동을 하는 경우, 구동 주축, 압점용 측정핀(70)과 압점식 위치감지부(80)의 연결 관계를 살펴보면 다음의 도 4와 같다.
도 4는 본 발명의 일례에 따른 구동 주축이 회전운동을 하는 쿼터턴(quarter) 액츄에이터의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 쿼터턴 액츄에이터의 일례는 리드 샤프트(40)가 회전하면 선형 운동을 하게 되는 리드넛(50)은 쿼터 턴 액츄에이터의 구동 주축(60b)에 포함되는 요크암(60b)에 회전 자유로 고정된다.
따라서, 이와 같은 요크암(60b)에는 대상 객체가 도시된 바와 같이 연결되어, 리드넛(50)이 선형 운동을 하게 되면, 요크암(60b)은 회전 운동을 하여 원하는 대상 객체를 회전함으로써 제어하게 되는 것이다.
이와 같이 요크암(60b)이 포함되는 구동 주축(60b)에는 도시된 바와 같이 압정용 측정핀(70)이 고정연결된다. 이와 같은 압점용 측정핀(70)은 구동 주축(60b)의 회전 운동에 따라 함께 회전 운동을 함으로써 구동 주축(60b)의 운동 궤적을 압점식 위치감지부(80)의 평면상에 그대로 전달하는 것이다. 이하 압점식 위치감지부(80)가 구동 주축(60b)의 운동 궤적을 계산하는 것은 수학식 1, 2와 동일하며, 구동 주축(60b)의 현재 위치를 구하는 것은 도 3d의 (d)와 같다.
다음, 도 5는 본 발명의 일례에 따른 액츄에이터를 구동하거나 제어하기 위한 블록도의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도시된 바와 같이,액츄에이터를 구동하거나 제어하기 위한 블록도의 일례는 구동 모터(10) 및 홀(Hole) 센서(11), 전원 공급부(510), 모터 구동부(520), 제어부(500), 압점식 위치감지부(80), 최소 리미트 스위치(121), 최대 리미트 스위치(122), 개방 스위치(530), 폐쇄 스위치(531), 정지 스위치(532), 신호 입력 단자(540) 및 신호 출력 단자(541)를 포함할 수 있다.
전원 공급부(510)는 액츄에이터의 구동 모터(10)를 제어하기 위한 구동 모터(10)부와 제어부(500)에 전원을 공급하는 기능을 하며, 구동 모터(10)에 공급되는 전원 공급부(510)와 별도로 구비될 수 있다.
구동 모터(10)는 모터 구동부(520)를 통하여 입력되는 제어 신호에 따라 액츄에이터를 구동하는 기능을 한다. 이와 같은 구동 모터(10)는 BLDC 모터(Brushless DC Motor)가 이용될 수 있으며, BLDC 모터 내부에는 홀 센서(11)가 더 포함될 수 있다.
홀(Hole) 센서(11)는 구동 모터(10) 내부에서 회전하는 로터의 회전 속도인 RPM(revolutions per minute)을 감지한다.
이와 같이 홀 센서(11)가 구비된 구동 모터(10)는 로터의 회전 속도를 홀 센서(11)를 통하여 실시간 감지하고 구동 모터(10)를 동작시킴으로써 구동 모터(10)를 보다 정밀하게 제어할 수 있게 한다.
압점식 위치감지부(80)는 전술한 바와 같이 구동 주축(60b)의 운동 궤적을 감지하기 위하여 압점용 측정핀(70)에 의해 압점의 위치를 입력받아 전기적 위치 값으로 변환하여 출력하는 기능을 한다.
최소 리미트 스위치(121)는 구동 주축(60b)의 운동에 따른 궤적이 미리 설정된 최소 한계 값 이하가 되는 경우, 구동 주축(60b)의 운동을 정지시키는 기능을 하며, 최대 리미트 스위치(122)는 구동 주축(60b)의 운동에 따른 궤적이 미리 설정된 최대 한계 값을 넘어서는 경우, 구동 주축(60b)의 운동을 정지시키는 기능을 한다.
제어부(500)는 압점식 위치감지부(80)로부터 출력되는 전기적 위치 값을 이용하여 구동 주축(60b)의 현재 위치를 계산하는 기능을 하며, 구동 주축(60b)의 운동 궤적이 미리 설정된 최소 한계 값 이하가 되거나 최대 한계 값을 넘어서는 경우, 최소 리미트 스위치(121) 또는 최대 리미트 스위치(122)로부터 신호를 입력받아 구동 모터(10)의 동작이 정지되도록 하는 제어 신호를 모터 구동부(520)로 출력하는 기능을 할 수 있다.
개방 스위치(530)는 대상 객체를 사용자가 직접 제어하기 위한 스위치로 구동 주축(60b)의 위치 값이 최소가 되도록 하는 기능을 한다. 일례로 밸브 액츄에이터의 경우, 구동 주축(60b)의 위치 값이 최소가 되도록 하여 밸브를 개방시키도록 하는 기능을 한다.
폐쇄 스위치(531)는 구동 주축(60b)의 위치가 최대가 되도록 하여, 밸브 액츄에이터와 같은 경우, 밸브를 폐쇄시키는 기능을 한다.
정지 스위치(532)는 구동 주축(60b)이 현재 위치에서 정지되도록 하는 기능 을 한다.
이와 같이, 개방 스위치(530), 폐쇄 스위치(531) 또는 정지 스위치(532)를 통하여 대상 객체를 제어하기 위하여, 제어부(500)는 개방 스위치(530), 폐쇄 스위치(531) 또는 정지 스위치(532) 중 어느 하나를 통하여 신호를 입력받아 구동 모터(10)를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(500)는 개방 스위치(530)로부터 신호가 입력되는 경우, 구동 주축(60b)의 현재 위치를 파악하여, 현재 위치로부터 최대 한계 값까지의 거리를 계산하여 구동 주축(60b)의 위치가 최대가 되도록 구동 모터(10)를 제어할 수 있으며, 폐쇄 스위치(531)로부터 신호가 입력되는 경우, 구동 주축(60b)의 현재 위치로부터 최소 한계 값까지의 거리를 계산하여 구동 주축(60b)의 위치가 최소가 되도록 구동 모터(10)를 제어할 수 있는 것이다.
이외에도, 제어부(500)는 신호 입력단을 통하여 외부로부터 대상 객체를 제어하기 위한 설정 정보를 입력받은 경우, 압점식 위치감지부(80)를 통하여 구동 주축(60b)의 현재 위치 값을 계산하고, 설정 정보에 따른 위치 값으로 구동 주축(60b)의 현재 위치 값이 조정되도록 구동 모터(10)를 제어할 수도 있고, 신호 출력단을 통하여 현재 구동 주축(60b)의 현재 위치, 로터의 회전 속도, 최대 한계치까지의 거리 또는 최소 한계치까지의 거리 등을 출력할 수도 있다.
한편 이와 같은 제어부(500)의 입력단에는 도 6에 도시된 바와 같이 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지털 컨버터(501)(Anolog to digital converter; ADC)가 더 포함될 수 있으며, 출력단에는 디지털 신호를 아나로크 신호 로 변환하는 아날로그 컨버터(502)(Digital to anolog converter;DAC)가 더 포함될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 이와 같은 종래의 액츄에이터에서 포텐셔미터의 문제점을 설명하기 위한 도.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 선형 액츄에이터의 일례를 설명하기 위한 도.
도 3a 내지 3d는 압점용 측정핀과 압점식 위치감지부를 보다 상세하게 설명하기 위한 도.
도 4는 본 발명의 일례에 따른 구동 주축이 회전운동을 하는 쿼터턴(quarter) 액츄에이터의 일례를 설명하기 위한 도.
도 5는 본 발명의 일례에 따른 액츄에이터를 구동하거나 제어하기 위한 블록도의 일례를 설명하기 위한 도.
도 6은 본 발명의 일례에 따른 액츄에이터에서 제어부를 보다 더 상세히 설명하기 위한 도.

Claims (8)

  1. 구동 모터로부터 기계적 회전 운동을 전달받아 원하는 대상 객체를 제어하기 위해 운동하는 구동 주축; 및
    상기 구동 주축의 운동에 따른 궤적을 평면상에 상기 구동 주축으로부터 직접 입력받아 상기 구동 주축의 위치 값을 전기적 위치 값으로 변환하여 출력하는 평면 형태의 압점식 위치감지부;
    를 포함하는 액츄에이터.
  2. 구동 모터로부터 기계적 회전 운동을 전달받아 원하는 대상 객체를 제어하기 위해 운동하는 구동 주축;
    상기 구동 주축에 고정 연결되어 상기 구동 주축의 운동에 따라 함께 운동하는 압점용 측정핀; 및
    평면 형태로 구비되며, 상기 구동 주축의 운동 궤적을 감지하기 위하여 상기 압점용 측정핀의 압력에 의해 접촉되는 압점의 위치를 평면상에 입력받아 전기적 위치 값으로 변환하여 출력하는 압점식 위치감지부;
    를 포함하는 액츄에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 압점식 위치감지부는
    일측면이 플라스틱 계열의 고분자 물질로 형성되어 상기 압점용 측정핀과 접촉되며 타측면이 전기 전도성의 제 1 도전층을 포함하는 제 1 필름; 및
    상기 제 1 필름과 이격되어 형성되며, 상기 압점에서 상기 제 1 도전층과 전기적으로 접촉되는 전기 전도성의 제 2 도전층을 포함하는 제 2 필름;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 압점용 측정핀은 상기 제 1 필름에 접촉되는 말단부를 포함하며,
    상기 말단부는 상기 제 1 필름과의 마찰을 감소하기 위한 롤링부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 압점식 위치감지부는
    상기 압점용 측정핀이 상기 제 1 필름에 접촉되는 압점의 X 좌표 값을 감지하는 제 1, 2 X좌표 감지부; 및
    상기 압점용 측정핀이 상기 제 1 필름에 접촉되는 압점의 Y 좌표 값을 감지하는 제 1, 2 Y좌표 감지부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는
    상기 압점식 위치감지부의 제 1, 2 X 좌표 감지부 각각으로부터 출력되는 값들을 입력받아 상기 X좌표 값을 계산하고, 상기 압점식 위치감지부의 제 1, 2 Y 좌표 감지부 각각으로부터 출력되는 값들을 입력받아 상기 Y좌표 값을 계산하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 X좌표 값의 미세 변화량 값 및 상기 Y좌표 값의 미세 변화량을 계산하고, 상기 구동 주축의 운동에 따른 미세 궤적 거리를 계산하는 다음의 수학식에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
    [수학식]
    Figure 112009051414592-pat00012
    여기서, X1은 이전 시점의 X좌표 값, X2는 현재 시점의 X좌표 값, Y1은 이전 시점의 Y좌표 값, Y2는 현재 시점의 Y좌표 값,
    Figure 112009051414592-pat00013
    는 X좌표 값의 미세 변화량,
    Figure 112009051414592-pat00014
    는 Y좌표 값의 미세 변화량,
    Figure 112009051414592-pat00015
    은 상기 구동 주축의 운동에 따른 미세 궤적 거리를 의미한다.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 구동 주축의 현재 위치 값을 상기 구동 주축의 이전 시점에서의 위치 값에 상기 미세 궤적 거리를 합하는 다음의 수학식에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
    [수학식]
    Figure 112009051414592-pat00016
    여기서, LOld는 이전 시점에서 구동 주축의 위치 값, LNew는 현재 시점에서 구동 주축의 위치 값을 의미한다.
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