KR101996661B1 - 선형 액추에이터 및 그러한 선형 액추에이터를 작동시키기 위한 방법 - Google Patents

선형 액추에이터 및 그러한 선형 액추에이터를 작동시키기 위한 방법 Download PDF

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라인하르트 프라이타그
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Abstract

선형 액추에이터는, 하나 이상의 펌프 코일, 멀티웨이 밸브, 및 하나 이상의 펌프 코일에 통전함으로써 이동될 수 있는 하나 이상의 펌프 전기자를 포함하고 스위칭 전기자가 제공되는 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프를 포함하며, 이 스위칭 전기자에 의하여 멀티웨이 밸브가 스위칭될 수 있고, 하나 이상의 펌프 코일에 통전함으로써 이 스위칭 전기자가 이동될 수 있다. 방법에서는, 펌프 코일에 통전함으로써, 스위칭 전기자 및 펌프 전기자 둘 모두가 이동된다.

Description

선형 액추에이터 및 그러한 선형 액추에이터를 작동시키기 위한 방법{LINEAR ACTUATOR AND METHOD FOR OPERATING SUCH A LINEAR ACTUATOR}
본 발명은 선형 액추에이터(actuator) 및 그러한 선형 액추에이터를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 적용(application)의 특정 분야들에서, 예컨대, 가스 밸브(gas valve)들을 조절할 때, 스로틀(throttle)들을 레귤레이팅(regulating)할 때, 포지셔닝 드라이브(positioning drive)들, 이를테면, 픽 & 플레이스(pick & place) 및 다른 로봇(robot)들의 경우, 자동화 분야 또는 헬스 케어 섹터(health care sector)의 선형 액추에이터들의 경우, 특히, 환자 테이블(table)들 또는 치료 장치들의 경우, 마이크로미터(micrometer) 범위까지 정확할 뿐만 아니라 수 센티미터(centimeter)의 긴 스트로크(stroke)들도 달성할 수 있는 선형 액추에이터들이 요구된다.
그러한 선형 액추에이터들은 가능한 최소 치수들로 구성되고, 가능한 모든 경우에 전기적으로 그리고 마모가 없어서 장기간 작동될 수 있으며, 불리한 환경 조건들, 특히, 오염에도 불구하고 가능한 한 강건한 것이 적절하다. 특히, 그러한 선형 액추에이터들이 쉽게 상호연결가능한 것이 바람직하다. 이에 따라, 복잡한 액추에이터 구성들의 경우, 다수의 선형 액추에이터들을 포지셔닝시키는(position) 것이 요구된다. 그러므로, 그러한 선형 액추에이터는, 요구되는 라인(line)들의 전체 개수를 최소화시키기 위하여, 전기 전도체들 또는 전도체 종단들의 전기 연결을 위해 이들의 가능한 최소 개수를 가져야 한다.
선형 액추에이터들은 그 자체로 많은 설계들에서 이전에 개시되어 있다. 많은 경우들에서, 스텝핑 모터(stepping motor)들이 제한된 정도까지만 정확하지만, 예컨대, 이 스텝핑 모터들이 개시된다. 또한, 투웨이 밸브(two-way valve)를 통해 압축 공기 저장소(reservoir)에 연결되거나 또는 유압 펌프(pump)를 통해 연결되는 공압 및 유압 선형 드라이브(drive)들이 이전에 개시되어 있다. 또한, 이들 실시예들의 경우, 정밀 레귤레이션(regulation)이 어렵다. 또한, 전기 구동 기계들로서 설계되는 전기 역학 선형 모터들이 이전에 개시되어 있다. 일반적으로 복잡하며 이 전기 역학 선형 모터들이 충분히 공간-절약적인 설계가 불가능하지만, 이 전기 역학 선형 모터들은 고속의 정확한 구성을 갖는다. 다른 한편으로, 압전 결정(piezo crystal)들 또는 자왜 재료들에 기반하는 선형 액추에이터들이 매우 작은 이동 경로들에 대해서만 설계되지만, 이 선형 액추에이터들은 특정 영역들에서의 적용이 발견된다. 마찰 접촉(frictional contact)들에 기반하는 압전 모터들이 더 큰 스트로크들을 실행할 능력을 갖지만, 이 압전 모터들은 그들의 서비스(service) 수명 면에서 빈번히 제약되며, 환경 영향력들에 민감하다. 또한, 정전기 작용 메커니즘(mechanism)들에 기반하는 인공 근육들이 그들의 최대 전력 및 서비스 수명에 대하여 제한되지만, 이 인공 근육들은 이전에 개시되어 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 선행 기술의 이러한 배경에 비하여 개선된 선형 액추에이터를 이용가능하게 하는 것이다. 특히, 선형 액추에이터는, 이 선형 액추에이터가 가능한 한 공간-절약적이고 그리고/또는 가능한 가장 단순한 전기 연결이 가능하도록 설계되어야 한다. 본 발명의 추가적인 목적은 그러한 선형 액추에이터를 작동시키기 위한 방법을 이용가능하게 하는 것이다.
상기 목적은, 청구항 제 1 항에 제안되는 특징부(characterizing feature)들을 갖는 선형 액추에이터를 이용하여, 그리고 청구항 제 15 항에 제안되는 특징부들을 갖는 방법을 이용하여 달성된다. 본 발명의 바람직한 추가적인 전개들은 연관된 종속 청구항들에서, 하기의 설명에서 그리고 도면에서 발견될 수 있다.
본 발명의 선형 액추에이터는 솔레노이드(solenoid) 펌프, 특히, 듀얼-챔버(dual-chamber) 솔레노이드 펌프를 포함한다. 본 발명의 선형 액추에이터는 솔레노이드 펌프에 유압식으로 연결되는 유압 실린더(cylinder)를 편의상 포함하며, 이 유압 실린더는 유압 피스톤(piston)을 가진다. 유압 피스톤은 솔레노이드 펌프에 의하여 유압 실린더의 안팎으로 구동될 수 있다. 본 발명의 선형 액추에이터는 유압유의 공급 또는 제거를 위해 솔레노이드 펌프에 연결된 저장소(reservoir)를 편의상 포함한다.
본 발명에 따라, 선형 액추에이터의 솔레노이드 펌프는 하나 이상의 펌프 코일(coil), 하나의 멀티웨이 밸브(multi-way valve), 및 하나 이상의 펌프 코일에 통전(energizing)함으로써 이동될 수 있는 하나 이상의 펌프 전기자를 가진다. 또한, 본 발명의 선형 액추에이터에서, 솔레노이드 펌프는 스위칭(switching) 전기자를 포함하며, 이 스위칭 전기자에 의하여 멀티웨이 밸브가 스위칭될(switched) 수 있다. 본 발명에 따라, 하나 이상의 펌프 코일에 통전함으로써, 선형 액추에이터의 솔레노이드 펌프의 스위칭 전기자가 이동될 수 있다.
본 발명의 선형 액추에이터에서, 멀티웨이 밸브에 의하여 양방향 펌프 흐름이 유발될 수 있다. 이 목적을 위해, 멀티웨이 밸브는 편의상 솔레노이드 펌프의 유입구 및 배출구에 유체적으로 연결(fluidly connected)된다. 본 발명의 선형 액추에이터는 이 목적을 위해 그와 같은 멀티웨이 밸브를 편의상 포함하며, 이 멀티웨이 밸브는 솔레노이드 펌프의 유입구 및 배출구로의 연결에서 양방향 펌프 흐름을 허용한다. 유압 실린더에서 안내되는 유압 피스톤은 양방향 펌프 흐름에 의하여 양방향으로 안내될 수 있다. 멀티웨이 밸브는 펌프 흐름의 방향을 변경시키기 위하여 스위칭될 수 있다. 본 발명에 따라, 멀티웨이 밸브의 스위칭은, 어떤 경우에도 하나 이상의 펌프 전기자를 이동시키기 위하여 통전되는 하나 이상의 펌프 코일에 통전함으로써 수행될 수 있다. 다른 한편으로, 이전에 개시된 선형 액추에이터들은 자주, 펌프 및 멀티웨이 밸브를 별개로 포함한다. 그러나, 펌프 및 멀티웨이 밸브에 대해 각각의 경우 전용 드라이브(drive)가 요구되며, 결과적으로, 전기 제어부 및 그에 따른 적어도 한 쌍의 전도체들이 각각의 경우 또한 요구된다. 다른 한편으로, 본 발명은 유리하게, 솔레노이드 펌프 및 멀티웨이 밸브를 단일 디바이스(device)로 통합시키며, 특히, 펌프를 작동시키는 것과 동시에 멀티웨이 밸브를 스위칭(switching)시키는 것 둘 모두를 위해, 본 발명에 따라 활용되는 자속(magnetic flow)이 사용된다. 결과적으로, 이는 본 발명의 선형 액추에이터에 대한 특히 낮은 전기적 상호연결 비용을 야기한다. 동시에, 솔레노이드 펌프를 갖는 선형 액추에이터를 이용하여 매우 정확한 조절 경로가 설정될 수 있으며, 이 조절 경로는 기본적으로 제약되지 않는다. 또한, 솔레노이드 펌프들은 커다란 설치 공간을 요구하지 않고, 마모 없이 장기간 작동될 수 있으며, 특히, 불리한 환경 조건들, 이를테면, 오염에도 불구하고 강건하게 작동될 수 있다. 극도로 낮은 상호연결 비용 때문에, 특히, 다수의 선형 액추에이터들을 갖는 구성들에서, 단지 몇몇 전기 라인(line)들 또는 전도체들 또는 전도체 종단들만이 요구된다.
특히, 본 발명의 선형 액추에이터에 대해 단지 한 쌍의 전기 전도체들 또는 한 쌍의 전도체 종단들만이 요구된다. 그 결과, 본 발명의 선형 액추에이터에서는, 와이어링(wiring) 비용이 낮으며, 신뢰성이 특히 높다.
부가하여, 본 발명의 선형 액추에이터는 바람직하게, 단순한 솔레노이드 펌프 대신에 듀얼(dual) 솔레노이드 펌프를 사용한다. 후자에서는, 체적 흐름이 장기간 0으로 떨어지지 않는다. 이에 따라, 체적 흐름에서의 맥동들 그리고 압력 및 연관된 단점들, 이를테면, 잡음 생성, 또는 유도 진동들의 결과로서 증가되는 마모를 회피하는 것이 가능하다.
솔레노이드 펌프, 그리고 바람직하게 듀얼 솔레노이드 펌프는 유리하게 팟(pot) 자석들을 포함한다. 그와 같은 팟 자석들은, 그렇지 않으면 빈번히 존재하는 요크 디스크(yoke disk)들과 비교할 때, 요크에 영향을 끼치기 직전에 불균형적으로 요크 디스크들의 유체 댐핑(damping)이 통상적으로 증가한다는 장점을 갖는다. 통상적인 솔레노이드 펌프들은 추가적인 댐핑 디바이스들을 요구하거나, 또는 잡음 및 진동의 감소를 위해 특수 비용들을 초래한다(예컨대, EP 1985857 참조). 그와 같은 기능 메커니즘은, 솔레노이드 펌프 또는 듀얼 솔레노이드 펌프가 팟 자석들을 포함하는 이러한 추가적인 전개에 이미 유리하게 통합되어 있다.
본 발명의 선형 액추에이터에서, 편의상, 멀티웨이 밸브는 4/2-웨이(way) 밸브이거나, 또는 멀티웨이 밸브는 4/2-웨이 밸브를 가진다. 이러한 방식으로, 솔레노이드 펌프의 유입구 및 배출구가 4/2-웨이 밸브의 스위칭가능한(switchable) 유입구들 및 배출구들에 연결된다는 점에서, 솔레노이드 펌프로부터의 펌프 흐름은 특히 쉽게 반전될 수 있다.
적절하게, 본 발명의 선형 액추에이터의 솔레노이드 펌프에서, 멀티웨이 밸브는 스위칭 전기자의 이동에 의해 스위칭될 수 있다. 멀티웨이 밸브는 바람직하게 이 목적을 위해 스위칭 전기자에 대한 이동으로 연결되며, 따라서 스위칭 전기자의 이동은 본 발명의 선형 액추에이터의 솔레노이드 펌프의 유입구 및 배출구에 대한 멀티웨이 밸브의 유입구들 및 배출구들의 공간 변위를 유도한다. 멀티웨이 밸브는 이러한 방식으로 특히 쉽게 스위칭될 수 있다.
편의상, 본 발명의 선형 액추에이터의 솔레노이드 펌프에서, 펌프 전기자는 펌프 코일 요크(yoke)에 자속 결합되거나 또는 자속 결합될 수 있으며, 스위칭 전기자는 펌프 코일 요크에 자속 결합되거나 또는 자속 결합될 수 있다. 한편으로 펌프 전기자로의, 그리고 다른 한편으로 스위칭 전기자로의 펌프 코일 요크의 자속 결합되거나 또는 자속 결합될수 있음으로써, 하나 이상의 펌프 코일에 통전에 의해 스위칭 전기자의 이동이 특히 쉽게 달성되도록 허용한다.
유리하게, 본 발명의 선형 액추에이터의 솔레노이드 펌프에는, 펌프 코일 요크를 각각 갖는 둘 이상의 펌프 코일들이 존재하며, 펌프 코일 전기자는 펌프 코일 요크들 사이의 또는 둘 이상의 펌프 코일 요크들 사이의 이동이 가능하다. 편의상, 이 경우, 개개의 펌프 코일 요크를 갖는 개개의 펌프 코일은 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프로서 구성되는 솔레노이드 펌프의 개개의 챔버에 속한다.
본 발명의 선형 액추에이터의 바람직한 추가적인 전개에서, 솔레노이드 펌프에는 하나 이상의 자속 안내 수단이 존재하며, 이 하나 이상의 자속 안내 수단에 의하여 펌프 코일 요크들이 자속을 안내하는 방식으로 서로 연결된다. 본 발명의 선형 액추에이터의 다른 유리한 추가적인 전개에서, 자속 안내 수단들은 이전에 설명된 바와 같이 솔레노이드 펌프에서 펌프 코일 요크들과 원피스(one piece)로 구현된다. 이 추가적인 전개는 그것의 특히 단순한 구성으로부터 생긴다.
본 발명의 선형 액추에이터의 하나의 특히 유리한 추가적인 전개에서, 자속 안내 수단, 또는 솔레노이드 펌프의 펌프 코일 요크들 중 하나 이상의 펌프 코일 요크 상에 영구 자석이 포함되거나, 또는 자속 안내 수단, 또는 펌프 코일 요크들 중 하나 이상의 펌프 코일 요크 상에 영구 자석이 배열된다. 본 발명의 방법의 이러한 추가적인 전개에서, 영구 자석은 자속 생성 엘리먼트(element)로서 사용될 수 있으며, 이 자속 생성 엘리먼트는 하나 이상의 펌프 코일을 이용하여 생성되는 자속을 감쇠시키거나 또는 강화시킨다. 이러한 방식으로, 본 발명의 선형 액추에이터에서는, 스위칭 전기자에 의한 스위칭의 목적을 위해 자기적인 자유도가 제공될 수 있다.
본 발명의 선형 액추에이터의 편리한 추가적인 전개에서는, 솔레노이드 펌프에서, 영구 자석에 의해 생성되는, 특히 자속 안내 수단을 통해 또한 안내되는 자속에 의하여 스위칭 전기자의 이동이 한정(define)될 수 있다(즉, 스위칭 전기자가 고정될 수 있음). 이에 따라, 스위칭 전기자의 이동에 대해 다른 자유도가 또한 제공된다.
편의상, 본 발명의 선형 액추에이터의 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프에서, 생성되는 자속이, 적어도 자속 안내 수단 및/또는 하나 이상의 펌프 코일 요크의 구역에서, 하나 이상의 영구 자석에 의해 생성된 자속에 상쇄하는 방식으로, 하나 이상의 펌프 코일이 전기적으로 스위칭되고 그리고/또는 하나 이상의 펌프 코일이 배열된다. 특히, 하나 이상의 영구 자석에 의해 생성된 자속이 지워질 수 있다. 이에 따라, 하나 이상의 펌프 코일에 의하여 스위칭이 가능하다.
본 발명의 선형 액추에이터의 솔레노이드 펌프는 이상적으로, 솔레노이드 펌프가 전기적으로 연결되게 하는 단지 한 쌍의 전도체들 또는 한 쌍의 전도체 종단들만을 가진다. 이러한 방식으로, 전기적 상호연결 비용 및/또는 본 발명의 선형 액추에이터의 솔레노이드 펌프를 활성화시키는 비용, 및 그에 따른 본 발명의 선형 액추에이터의 와이어링 비용이 크게 감소된다.
이 경우, 특히, 한 쌍의 전도체들 또는 한 쌍의 전도체 종단들은 하나 이상 또는 그 초과의 펌프 코일들과 전기 접촉한다.
편리한 추가적인 전개에서, 본 발명의 선형 액추에이터의 솔레노이드 펌프에는, 팟(pot) 자석들의 형태로 구성되는 둘 이상의 펌프 코일들이 존재하며, 펌프 전기자 및/또는 스위칭 전기자는 편의상, 팟 자석 형태의 팟 기저부(base)들과 관련하여 가로로 이동가능하게 안내된다. 이에 따라, 특히 단순하고 콤팩트(compact)한 공간 구성을 달성하는 것이 가능하다.
본 발명의 선형 액추에이터의 솔레노이드 펌프에는 유리하게 다이오드(diode)들이 존재하며, 이 다이오드들에 의하여, 전도체들의 쌍 또는 전도체 종단들의 쌍에 존재하는 신호의 포지티브(positive) 신호 부분들이 제 1 펌프 코일에 송신될 수 있고 네거티브(negative) 신호 부분들이 제 2 펌프 코일에 송신될 수 있다.
선형 액추에이터를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법에서, 스위칭 전기자는 솔레노이드 펌프의 하나 이상의 펌프 코일에 통전함으로써 멀티웨이 밸브의 포지션(position)과 관련하여 미리결정된 포지션으로 설정되며, 미리결정된 포지션을 유지하는 동안에, 펌프 전기자의 하나 이상의 펌프 코일에 통전함으로써 이동된다. 이러한 방식으로, 한편으로는 스위칭 전기자가 설정될 수 있으며, 따라서 멀티웨이 밸브가 펌프의 작동을 위해 적절하게 설정되며, 이 포지션에서, 펌프 전기자는 이동가능하고, 솔레노이드 펌프는 의도되는 일방향 작동으로 펌핑한다(pump).
본 발명의 방법의 편리한 추가적인 전개에서, 하나 이상의 펌프 코일에는 스위칭 전기자의 이동을 위한 것보다 펌프 전기자의 이동을 위해 더 적은 정도로 통전된다. 결과적으로, 하나 이상의 펌프 코일의 활성화의 진폭은, 단지 펌프 전기자만이 이동되도록 의도되는지 또는 스위칭 전기자도 또한 이동되도록 의도되는지 여부에 따라 설정될 수 있다.
본 발명은 도면에 표현되는 예시적 실시예에 기반하여 아래에서 더욱 상세히 설명된다. 도면에서:
도 1은 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프를 갖는 본 발명의 선형 액추에이터를 원리 도면에서 개략적으로 묘사하며, 이 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프는 펌프 방향을 설정하기 위한 멀티웨이 밸브를 가지며, 이 밸브는 한편으로 저장소에, 그리고 다른 한편으로 유압 피스톤을 갖는 유압 실린더에 연결된다.
도 2는 제 1 펌프 코일 및 제 2 펌프 코일의 활성화에 따라 제 1 스위칭 포지션(도 2a) 및 제 2 스위칭 포지션(도 2b)으로 있는, 도 1에 따른 본 발명의 선형 액추에이터의 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프를 길이방향 섹션(section)으로 개략적으로 묘사한다.
도 3은 제 1 펌프 코일 및 제 2 펌프 코일의 활성화를 도식적인 표현으로 묘사한다.
도 4는 스위칭 전기자의 두 개의 스위칭 포지션들로 있는, 도 2에 따른 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프를 길이방향 섹션으로 개략적으로 묘사한다.
도 5는 도 2에 따른 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프의 개략적 표현의 스위칭 전기자에 대한 스위칭 원리를 길이방향 섹션으로 개략적으로 묘사한다.
도 6은 펌프 전기자 및 스위칭 전기자의 활성화를 위한 제 1 펌프 코일 및 제 2 펌프 코일에 통전을 도식적인 표현으로 개략적으로 묘사한다.
도 7은 도 1에 따른 선형 액추에이터를 길이방향 섹션으로 개략적으로 묘사한다.
도 8은 도 1 및 도 7에 따른 선형 액추에이터의 전기 회로를 원리 도면에서 개략적으로 묘사한다.
도 9는 선형 액추에이터의 활성화를 위한 입력 신호뿐만 아니라 도 8에 따른 선형 액추에이터의 회로에 따른 코일 신호들을 개략적인 도식적 표현으로 묘사한다.
도 10은 도 1a에 따른 본 발명의 선형 액추에이터의 펌프 전기자를 투시적 표현으로 개략적으로 묘사하며, 그리고 도 1에 따른 본 발명의 선형 액추에이터의 자속 안내 수단과 함께 어레인지먼트(arrangement)에서, 도 10a에 따른 펌프 전기자를 도식적인 표현으로 개략적으로 묘사한다.
도 11은 단일 피스(piece) 펌프 전기자를 갖는 본 발명의 선형 액추에이터의 대안적 실시예를 원리 도면에서 개략적으로 묘사한다.
도 12는 본 발명의 선형 액추에이터의 추가적인 대안적 실시예를 원리 도면에서 개략적으로 묘사한다.
도 1에 표현된 선형 액추에이터는 투웨이 밸브(20)를 갖는 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프(10)를 포함하며, 이 투웨이 밸브(20)에 의하여, 유압 유체가 저장소(30)로부터 유압 실린더(40)의 작업 영역 안으로 펌핑된다(pumped). 유압 피스톤(50)이 유압 실린더(40)에서 선형 방식으로 이동가능하게 안내된다. 투웨이 밸브(20)를 개개의 다른 스위칭 포지션으로 설정함으로써, 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프(10)의 펌프 방향이 반전될 수 있어서, 유압 유체가 유압 실린더(40)의 작업 영역으로부터 저장소(30) 안으로 다시 펌핑된다. 이에 따라, 유압 피스톤(50)은 앞으로 또는 뒤로 이동된다.
듀얼-챔버 솔레노이드 펌프(10)의 구성은 도 2a 및 도 2b에서 더욱 상세히 묘사된다. 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프(10)는 두 개의 펌프 코일들(60 및 70)을 포함한다. 펌프 코일들(60 및 70) 각각은 팟 자석의 형태로 구성된다. 펌프 코일들(60 및 70) 사이에는 자기 펌프 전기자(80)가 존재하며, 이 펌프 전기자(80)는 펌프 코일들(60, 70)의 팟 기저부 평면들에 수직하는 방향(90)으로 안내된다. 펌프 전기자(80)는 비자성 연결 파이프(pipe)(120)에 의해 서로 연결되는 두 개의 연자성 천공 디스크(disk)들(100, 110)을 포함하며, 이 파이프는, 방향(90)으로의 이 파이프의 길이방향 범위로, 펌프 코일들(60, 70)의 팟 기저부 평면들에 수직으로 연장된다. 천공 디스크들(100, 110)은 각각 다이어프램(diaphragm)들(130) 상에서 자유롭게 오실레이팅(oscillating)하는 방식으로 부유되며, 이 다이어프램들(130)은 각각의 경우 유압 챔버들(140, 150)을 구분하고 밀봉한다.
유압 챔버들(140 및 150)은 공급 라인(feed line)들(160, 170)을 가지며, 이 공급 라인들(160, 170)은 논-리턴(non-return) 밸브들(180, 190)을 통해 펌프 전기자(80)의 일 측으로의 유압 챔버들(140 및 150) 안으로 각각 흐른다. 부가하여, 유압 챔버들(140, 150)은 배출구 파이프들(200, 210)을 가지며, 이 배출구 파이프들(200, 210)은 논-리턴 밸브들(220, 230)을 통해 유압 챔버들(140, 150)로부터 떨어져 유도된다. 공급 파이프들(160, 170) 및 배출구 파이프들(200, 210)이 입력 측에서 그리고 출력 측에서 각각 합쳐져서, 공통 유입구(240) 및 공통 배출구(250)가 형성된다.
연자성 천공 디스크들(100, 110)의 내부 반경에 대해, 유압 챔버들(140, 150)은 비자성 파이프(260)에 의해 밀봉되며, 이 비자성 파이프(260) 상에서 펌프 전기자(80)는 앞뒤로 슬라이딩한다(slide).
펌프 효과는 도 3에 표현된 펌프 코일(60, 70)의 활성화에 의해 달성된다(좌측 펌프 코일(60)(곡선 EK) 또는 우측 펌프 코일(70)(곡선 ZK)의 통전의 전류 강도(I)는 시간(t)의 함수로써 각각의 경우 도시된다).
좌측 펌프 코일(60) 또는 우측 펌프 코일(70)에는 교번적으로 통전된다. 펌프 전기자(80)는 자기 저항 원리, 다시 말해서, 자속 회로를 적절하게 폐쇄하려는 바람의 결과로서 좌로 또는 우로 교번적으로 끌어당겨진다. 화살표들(270, 280)은 각각의 경우 펌프 코일(60, 70)을 이 펌프 코일(60, 70)의 원주 둘레를 부분적으로 둘러싸는 펌프 코일 요크(290, 300)를 통하는 기초 자속을 예시하며, 이 펌프 코일 요크는 각각 펌프 코일들(60, 70)을 각각, 다른 펌프 코일(70, 60)을 등지는 그들의 측면에서 각각의 경우 이 펌프 코일들(60, 70)의 원주 둘레를 부분적으로 각각 둘러싼다. 펌프 코일(60, 70)과 펌프 전기자(80) 사이에 존재하는 유압 체적은, 좌로 또는 우로의 펌프 전기자(80)의 이동에 의해 교번적으로 감소 및 증가된다. 이 유압 체적은 유압 유체로 채워지며, 이 유압 유체는 표현된 예시적 실시예에서 실리콘 오일(silicon oil) 또는 글리세린(glycerin)이다. 결과적으로, 압력의 맥동하는 변화들이 유입구(240)로부터 배출구(250)로의 유압유의 일방향 흐름을 야기한다.
일방향 흐름의 방향을 변화시키기 위하여, 도 1에 예시된 바와 같이, 4/2-웨이 밸브 형태의 투웨이 밸브(20)가 제공되며, 이 투웨이 밸브(20)는 스위칭 전기자(310)에 의해 이동되며 그에 따라 스위칭된다(switched). 도 4에 예시된 바와 같이, 스위칭 전기자(310)는 듀얼-챔버 솔레노이드 펌프(10)에 통합된다.
비자성 안내 로드(rod)(320)는 팟 기저부 평면들에 수직하는 방향(90)으로 비자성 튜브(tube)(260)를 센터(center)에서 통과한다. 이 비자성 안내 로드(320)는 팟 기저부 평면들에 수직하는 방향(90)으로 슬라이딩할(slide) 수 있으며, 이는 도 4에 따른 표현에서 수평으로 이루어진다. 연자성 재료로 만들어진 스위칭 전기자(310)가 비자성 안내 로드(320)에 부착된다. 스위칭 전기자(310)를 수평 방향으로, 즉, 방향(90)으로 이동시키기 위하여, 펌프 코일 요크(290) 및 펌프 코일 요크(300)는 비자성 연결 파이프(120)로부터 반경 방향으로 떨어진 곳에서 수평 방향(90)으로 자속 안내 수단(330)을 통해 연결된다. 반경 방향으로, 자속 안내 수단(330)은 돌출부들(340)을 가지며, 이 돌출부들(340)은 비자성 연결 파이프(120)를 향하여 반경 방향으로 연장된다.
이 돌출부의 반경 방향 내측 단부에서, 반경 방향으로 연장되는 바(bar) 자석(350)이 각각의 경우 돌출부(340)에 고정된다. 또한, 스위칭 전기자(310)는 대응하는 돌출부들(360)을 가지며, 스위칭 전기자(310)가 좌측 펌프 코일 요크(290) 또는 우측 펌프 코일 요크(300)와 접촉할 때(도 4a 및 도 4b), 이 돌출부들(360)이 자속 안내 수단(330)의 반경 방향 내향 돌출부들(340)과 수평 방향으로 끊임없이 오버랩핑되는(overlap) 정도까지, 이 돌출부들(360)은 수평 방향으로 스위칭 전기자(310)를 따라 연장된다. 스위칭 전기자(310)가 도 4a에 묘사된 바와 같이 좌측 포지션으로 존재하면, 바 자석(350)의 자속은 주로, 이 측의 더 낮은 자기 저항 때문에 (최소) 에어 갭(air gap)을 거쳐 좌측 펌프 코일 요크(290)를 통해 안내된다. 그 결과, 스위칭 전기자(310)를 이 포지션으로 유지시키는 유지력이 그곳에 생성된다. 유사하게, 도 4b에 따라, 스위칭 전기자는 우측 포지션으로 유지되는데, 다시 말해서, 스위칭 전기자(310)는 스위칭 전기자(310)의 좌측 포지션 그리고 스위칭 전기자(310)의 우측 포지션 둘 모두에서 각각의 경우 그것의 포지션으로 유지된다.
스위칭 전기자(310)를 하나의 포지션으로부터 다음 차례의 포지션으로 이동시키기 위하여, 도 6에 묘사된 바와 같이, 고전류 신호(HSS)가 단시간 사용된다. 이제, 예로서, 스위칭 전기자(310)가 이 단시간 고전류 신호(HSS)에 의하여 우로 이동되는 방법에 대한 설명이 제공된다.
우측 펌프 코일(70)은 고전류 신호(HSS)를 단시간 겪는다. 이 전류 신호(HSS)의 결과로서, 우측 펌프 코일(70)의 온도가 단시간 증가한다(즉, 펌프 코일들(60, 70)은 각각의 경우, 전류 신호(HSS)의 경우에 도달되었던 것과 같은 높은 레벨(level)의 전류들에 대해서는 실제로 설계되지 않는다). 대안적으로, 펌프 코일들(60, 70)은 그러한 고전류들에 대해 추가로 설계될 수 있다(예시적 실시예들에서는 특별히 표현되지 않음).
따라서, 정상 펌프 시퀀스(sequence)(또한, 도 4 참조)가 재개되기 이전에, 우측 펌프 코일(70)은 짧은 대기 기간 동안에 냉각될 수 있다.
스위칭 동작 동안의 자기 행동이 도 5에 묘사된다. 또한, 펌프 시퀀스의 경우와 같이, 고전류의 존재는 실제로, 펌프 전기자(80)가 통전된 우측 펌프 코일(70) 측으로 끌어당겨지게 한다. 그럼에도 불구하고, 펌프 코일(70)의 통전이 너무 높아서, 우측 펌프 코일 요크(300) 및 펌프 전기자(80)를 통하는 자기 회로(우측 펌프 코일(70)을 이 우측 펌프 코일(70)의 원주 둘레를 둘러싸는 얇은 화살표들(400))가 신속하게 과포화된다. 따라서, 자속은 또한, 쌍안정 액추에이터의 자속 안내 수단(330)을 통해 흐를 것이다. 파선들로 묘사된 자속(F)은 스위칭 전기자(310)의 유지 측에서 바 자석(350)의 자속에 반대 방향으로 흐른다. 펌프 코일(70)의 통전과 함께 전류 진폭의 적절한 선택에 의해, 반대 방향으로의 펌프 코일(70)의 자속이 바 자석(350)의 자속(F)과 동일하게 높음을 보장하는 것이 가능하다. 그 결과, 스위칭 전기자(310)의 유지력은 효과적으로 상쇄된다. 그러나, 다른 한편으로, 자속(410)(처음부터 끝까지 두껍게 그려진 선)이 커다란 에어 갭을 통해 스위칭 전기자(310)의 우로 흐른다. 이 자속은 인력(attracting force)을 생성하며, 이 인력은 마지막으로 스위칭 전기자(310)를 우로 끌어당긴다. 이후, 전류는 스위칭 오프될(switched off) 수 있으며, 스위칭 전기자(310)는 도 4b에 묘사된 자속 경로의 결과로서 그 지점에서 안정된 채로 머무른다.
따라서, 잠시 과도한 통전에 의해, 즉, 과도한 진폭을 갖는 단시간 전류 신호(HSS)에 의해 스위칭 동작이 개시된다.
전체 액추에이터는 마지막으로, 도 1의 원리 도면에 따라 상호연결된다. 예상되는 투웨이 밸브(20)와 함께, 이는 도 1에 대응하는 도 7에서 개략적으로 표현된다.
도 8에 묘사된 회로는 도 3 및 도 6에 묘사된, 두 개의 펌프 코일들(펌프 코일(60) 및 펌프 코일(70))에 대해 작용하는 전류 신호들을 한 쌍의 전도체들을 통해 송신하기 위하여 사용된다. 신호 소스(source)(SQ)는 포지티브 신호 성분 및 네거티브 신호 성분을 갖는 단일 입력 신호(ES)를 공급한다. 선형 액추에이터는 두 개의 다이오드들(D1, D2)을 포함하며, 이 두 개의 다이오드들(D1, D2)에 의하여, 포지티브 신호 성분(EK)은 펌프 코일(60)로 스위칭되고(switched) 네거티브 신호 성분(ZK)은 펌프 코일(70)로 스위칭된다. 이는 도 9에서 예로서 묘사된다.
도 2에 표현된 2-부분의 펌프 액추에이터(80)는 두 개의 자기 천공 디스크들(100, 110) 및 비자성 연결 파이프(120)로 구성된다. 안정성의 이유들로, 두 개의 천공 디스크들(100, 110)의 연결은 또한, 추가적인 안정화 연결 부품들(500)을 이용하여 수행될 수 있으며, 이 추가적인 안정화 연결 부품들(500)은 부가적으로, 천공 디스크들(100, 110) 사이의 지지 실린더형 엘리먼트들로서 비자성 연결 파이프(120)에 대해 배열된다.
도 4에 표현된 자속 안내 수단(330)의 돌출부들(340)은 천공 디스크들(100, 110) 사이에 놓이며, 도 10b에 표현된 회전 대칭 실시예를 가질 필요는 없지만, 서로 직각으로 오프셋된(offset) 네 개의 방향들로부터 비자성 연결 파이프(120) 상으로 반경 방향으로 돌출할 수 있다.
도 11에 표현된 바와 같이, 2-부분 전기자가 전적으로 회피될 수 있다. 예컨대, 펌프 전기자(80')는 단일 천공 디스크(100')로서 구현될 수 있다. 그러나, 이 경우, 펌프 전기자(80')는 예컨대 이 경우 추가적인 벨로우즈(bellows)에 의해 내부 반경에서 안내되어야 한다. 이 경우, 자속은 단지 펌프 코일들(60', 70')로부터 "후방으로" 쌍안정 스위칭 전기자(310')의 방향으로 유도될 수 있다. 따라서, 자기 수축(ENG)이 여기서 통합된다.
본 발명의 선형 액추에이터는 추가적인 실시예에서 얇고 신장된 구성, 다시 말해서, "연필형"을 갖는다. 도 12에 묘사된 바와 같이, 길이방향 벨로우즈(LB)가 다이어프램 벨로우즈 대신에 사용되며, 2-부분 펌프 전기자(80'')에는 내부 반경 및 외부 반경 둘 모두에서 길이방향 벨로우즈(LB)가 제공된다. 다수의 비자성 안내 로드들(FS)에 의해 안내가 구현된다. 다른 면들에서, 설계, 특히, 자기 설계는 도 4와 완전히 동일하다.

Claims (18)

  1. 솔레노이드 펌프(10)를 포함하는 선형 액추에이터(linear actuator)로서,
    상기 솔레노이드 펌프(10)는
    하나 이상의 펌프 코일(pump coil)(60, 70);
    상기 솔레노이드 펌프의 유입구 및 배출구에 유체적으로 연결되어서 펌프의 양방향 흐름을 허용하는 멀티웨이 밸브(multi-way valve)(20);
    상기 솔레노이드 펌프를 작동시키기 위해, 상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)에 통전함으로써 이동될 수 있는 하나 이상의 펌프 전기자(80)로서, 상기 하나 이상의 펌프 전기자(80)의 이동으로 상기 유입구로부터 상기 배출구로의 일방향 흐름이 야기되는, 하나 이상의 펌프 전기자(80); 및
    상기 일방향 흐름을 반전시키도록 상기 멀티웨이 밸브(20)를 스위칭(switching)하기 위한 스위칭 전기자(310)로서, 상기 펌프 전기자(80)의 전류 신호와 다른 전류 신호에 의해 상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)에 통전함으로써 상기 펌프 전기자와 독립적으로 이동될 수 있는, 스위칭 전기자(310);를 포함하는,
    선형 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티웨이 밸브(20)는 4/2-웨이(way) 밸브이거나 또는 4/2-웨이 밸브를 가지는,
    선형 액추에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티웨이 밸브(20)는 상기 스위칭 전기자(310)의 이동에 의해 스위칭될 수 있는,
    선형 액추에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔레노이드 펌프(10)에서, 상기 하나 이상의 펌프 전기자(80)는 상기 펌프 코일(60, 70)의 원주 둘레를 부분적으로 둘러싸는 펌프 코일 요크(yoke)(290, 300)에 자속 결합되거나 또는 자속 결합될 수 있으며, 상기 스위칭 전기자(310)는 상기 펌프 코일 요크(290, 300)에 자속 결합되거나 또는 자속 결합될 수 있는,
    선형 액추에이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 펌프 코일은 둘 이상의 펌프 코일들(60, 70)을 포함하며, 상기 둘 이상의 펌프 코일들의 각각의 펌프 코일은 펌프 코일 요크(290, 300)를 가지며, 상기 펌프 전기자(80)는 둘 이상의 펌프 코일 요크들(290, 300) 사이에서 이동가능한,
    선형 액추에이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 솔레노이드 펌프(10)는 상기 둘 이상의 펌프 코일 요크들(290, 300)을 연결시키도록 배열된 하나 이상의 자속 안내 수단(330)을 더 포함하며, 상기 하나 이상의 자속 안내 수단(330)에 의하여 상기 둘 이상의 펌프 코일 요크들(290, 300)이 자속을 안내하도록 서로 연결되는,
    선형 액추에이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 자속 안내 수단(330) 및 상기 둘 이상의 펌프 코일 요크들(290, 300)은 서로 원피스(one piece)로 구성되는,
    선형 액추에이터.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 둘 이상의 펌프 코일 요크들(290, 300) 중 하나 이상의 펌프 코일 요크, 또는 상기 하나 이상의 자속 안내 수단(330)이 상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)에 의해 생성된 자속을 감쇠시키거나 강화시키도록 상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)에 의해 생성된 자속의 경로 상에 배열된 영구 자석(350)을 포함하거나, 또는
    상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)에 의해 생성된 자속의 경로 상에 배열되어 상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)에 의해 생성된 자속을 감쇠시키거나 강화시키는 하나 이상의 영구 자석(350)이 상기 둘 이상의 펌프 코일 요크들(290, 300) 중 하나 이상의 펌프 코일 요크, 또는 상기 하나 이상의 자속 안내 수단(330) 상에 배열되는,
    선형 액추에이터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스위칭 전기자(310)의 이동은 영구 자석(350)에 의해 생성되는 자속에 의하여 한정(define)될 수 있는,
    선형 액추에이터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)에 의해 생성되는 자속이, 적어도 자속 안내 수단(330) 및 하나 이상의 펌프 코일 요크(290, 300) 중 하나 이상의 구역에서 상기 하나 이상의 영구 자석(350)에 의해 생성된 자속을 감쇠시키거나 강화시키도록, 상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)이 배열되거나, 전기적으로 스위칭되는,
    선형 액추에이터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터의 상기 솔레노이드 펌프(10)는 한 쌍의 전도체들만을 가지며, 상기 한 쌍의 전도체들에 의하여 상기 솔레노이드 펌프(10)가 전기적으로 연결되는,
    선형 액추에이터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전도체들은 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)과 전기 접촉하는,
    선형 액추에이터.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 펌프 코일은 둘 이상의 펌프 코일들(60, 70)을 포함하고, 상기 둘 이상의 펌프 코일들(60, 70)은 팟(pot) 자석들의 형태로 구성되며, 상기 하나 이상의 펌프 전기자(80) 및 상기 스위칭 전기자(310) 중 하나 이상은 팟 자석 형태의 팟 기저부(base)들에 대해 가로로 이동가능하게 안내되는,
    선형 액추에이터.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 솔레노이드 펌프(10)는 다이오드(diode)들(D1, D2)을 포함하고, 상기 다이오드들(D1, D2)에 의하여, 상기 한 쌍의 전도체들 또는 한 쌍의 전도체 종단들에 존재하는 신호의 포지티브(positive) 신호 부분들이 상기 하나 이상의 펌프 코일들(60, 70) 중 제 1 펌프 코일(60)에 송신될 수 있고, 네거티브(negative) 신호 부분들이 상기 하나 이상의 펌프 코일들(60, 70) 중 제 2 펌프 코일(70)에 송신될 수 있는,
    선형 액추에이터.
  15. 선형 액추에이터를 작동시키기 위한 방법으로서,
    상기 선형 액추에이터(linear actuator)는 솔레노이드 펌프(10)를 포함하고,
    상기 솔레노이드 펌프(10)는
    하나 이상의 펌프 코일(pump coil)(60, 70);
    상기 솔레노이드 펌프의 유입구 및 배출구에 유체적으로 연결되어서 펌프의 양방향 흐름을 허용하는 멀티웨이 밸브(multi-way valve)(20);
    상기 솔레노이드 펌프를 작동시키기 위해, 상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)에 통전함으로써 이동될 수 있는 하나 이상의 펌프 전기자(80)로서, 상기 하나 이상의 펌프 전기자(80)의 이동으로 상기 유입구로부터 상기 배출구로의 일방향 흐름이 야기되는, 하나 이상의 펌프 전기자(80); 및
    상기 일방향 흐름을 반전시키도록 상기 멀티웨이 밸브(20)를 스위칭(switching)하기 위한 스위칭 전기자(310)로서, 상기 펌프 전기자(80)의 전류 신호와 다른 전류 신호에 의해 상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)에 통전함으로써 상기 펌프 전기자(80)와 독립적으로 이동될 수 있는, 스위칭 전기자;를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 멀티웨이 밸브(20)의 포지션(position)과 관련하여 미리결정된 포지션으로 상기 스위칭 전기자(310)를 설정하는 단계로서, 상기 설정은 상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)의 통전을 포함하는, 상기 스위칭 전기자(310)를 설정하는 단계; 및
    상기 미리결정된 포지션을 유지하는 동안에 상기 펌프 전기자(80)를 이동시키는 단계로서, 상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)에 통전하는 것을 포함하는, 상기 미리결정된 포지션을 유지하는 동안에 상기 펌프 전기자(80)를 이동시키는 단계;를 포함하는,
    선형 액추에이터를 작동시키기 위한 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 펌프 코일(60, 70)은 상기 스위칭 전기자(310)의 이동을 위한 것보다 상기 펌프 전기자(80)의 이동을 위해 더 적은 정도로 통전되는,
    선형 액추에이터를 작동시키기 위한 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔레노이드 펌프(10)는 두 개의 펌프 코일들(60, 70)을 포함하는 듀얼-챔버(dual-chamber) 솔레노이드 펌프인,
    선형 액추에이터.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 스위칭 전기자(310)의 이동은 자속 안내 수단(330)을 통해 안내되는 자속에 의하여 한정될 수 있는,
    선형 액추에이터.
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