KR102177140B1 - 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액츄에이터에 관한 것이다. 본 발명에서는 하우징(10)과 하우징캡(14)이 외관을 구성하고, 상기 하우징(10)의 내부공간(12)을 관통하여서는 구동핀(18)이 직선운동하도록 설치된다. 상기 내부공간(12)인 하우징(10)의 내면에는 영구자석(24)과 외부철심(26)이 적층되어 설치된다. 상기 영구자석(24)과 외부철심(26)이 적층된 것은 하나의 외부철심의 양측에 영구자석(24)이 적층된 세트가 반복되는 형태로 된다. 상기 구동핀(18)의 외면에 형성된 핀홈(28)에는 내부철심(29)이 설치되고 상기 내부철심(29)의 외면에는 코일(30)이 설치된다. 상기 코일(30)은 상기 영구자석(24)의 사이에 있는 상기 외부철심(26)과 마주보게 설치된다. 따라서, 하나의 코일(30)에 대해 2개의 영구자석(24)에서 나온 자속이 코일(30)의 이동을 만들어내므로 상대적으로 큰 추력을 발생시킨다. 또한 구동핀(18)에 내부철심(29)과 코일(30)이 직접 설치되므로 이동되는 부분의 부품수와 무게를 최소화할 수 있게 되는 이점도 있다.

Description

액츄에이터{Actuator}

본 발명은 액츄에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 영구자석 및 코일을 사용하여 구동핀의 직선운동을 만들어내는 액츄에이터에 관한 것이다.

액츄에이터에서는 구동핀의 구동을 위해 보이스코일을 이용하는 타입이 있다. 보이스코일을 이용한 액츄에이터는 자기장 내의 도선에 전류를 흘리면 도선에 힘(Lorentz Force)이 발생하는 원리를 이용하여 구동한다.

즉, 자기장의 강도를 B, 도선에 흐르는 전류는 i, 자기장 내부 전체의 도선의 길이를 L이라고 할 때, 도선에 발생하는 힘 F는 다음의 식과 같다.

F = BiL (N)

여기서 도선에 발생하는 힘은 자기장과 도선에 흐르는 전류의 수직방향이다. 이 힘의 방향은 플레밍의 왼손 법칙으로 설명할 수 있고, 이 힘은 코일의 권선수 n에 비례하므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

F = nBiL (N)

이 식에서 알 수 있듯이, 도선에 발생하는 힘, 즉 핀의 구동을 위한 힘은 전류 i, 권선수 n, 도선의 길이 L 등에 비례한다.

따라서, 액츄에이터를 설계함에 있어서 핀의 구동을 위한 힘을 크게 하기 위해서는 전류 i, 권선수 n, 도선의 길이 L 등을 늘려주어야 하는데, 이와 같이 하게 되면 액츄에이터의 크기가 커지는 등의 문제가 발생한다.

그리고, 종래 기술에서는 구동핀에 보빈이 설치되고 보빈에 코일을 설치하여 하우징 내에 설치된 영구자석과의 상호작용에 의해 보빈과 함께 구동핀이 직선운동하도록 한다. 하지만, 보빈을 사용하는 경우에 보빈의 내면과 영구자석 사이 그리고 보빈의 외면과 하우징 사이에 소정의 간격이 발생하여 전체적으로 엑츄에이터의 크기가 커지는 문제점이 있고, 이들 간격을 정확하게 유지해야 하는 등 공차관리가 어려운 문제점이 있다.

일본공개특허 소화60-236201호 일본공개특허 평성09-503379호 대한민국 공개특허 제 10-2003-0064410 호

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 사용되는 영구자석과 코일의 배치를 효율적으로 하여 발생하는 추력을 극대화하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 보빈을 사용하지 않으면서 소형화된 엑츄에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 엑츄에이터의 공차관리를 용이하게 하도록 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 내부공간이 형성된 하우징과, 상기 하우징의 중앙을 관통하여 설치되어 직선이동하는 구동핀과, 상기 구동핀에 설치되어 구동핀의 이동과 일체로 이동하는 내부철심과, 상기 내부철심에 설치되어 상기 구동핀과 일체로 이동하는 코일과, 상기 하우징의 내부공간에 설치되어 자력을 발생시키는 영구자석과, 상기 내부철심과 함께 상기 영구자석에서 나온 자속이 이동하는 경로를 형성하고 상기 구동핀에 설치된 코일과 소정 간격을 두고 마주보게 상기 내부공간에 설치되는 외부철심을 포함하고, 상기 하우징의 일단부에는 하우징캡이 설치되어 상기 내부공간을 외부와 차폐하며, 상기 하우징캡의 외부로 돌출된 상기 구동핀에는 와셔가 설치되고 상기 와셔와 하우징캡의 사이에는 탄성부재가 설치되어 상기 코일에 전류가 인가되지 않을 때 상기 구동핀에 탄성복원력을 제공한다.

상기 구동핀의 외면에 형성된 핀홈에 상기 내부철심이 설치되고 상기 내부철심의 외면에 상기 코일이 설치된다.

상기 하우징에는 가이드가 구비되어 상기 구동핀의 이동을 안내한다.

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상기 외부철심과 영구자석은 외부철심의 양측에 영구자석이 구비된 세트가 반복되어 설치되고 외부철심과 영구자석이 적층되어 배치된 양측 단부에는 외부철심이 위치된다.

상기 외부철심과 마주보는 코일을 상기 외부철심의 양측에 위치하는 영구자석으로부터 발생된 자속이 각각 통과하게 된다.

본 발명에 의한 액츄에이터에서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에서는 하나의 철심을 사이에 두고 양측에 영구자석이 설치되고 상기 철심과 마주보게 코일을 설치하여 코일에 동시에 2개의 자로가 형성되도록 하여 자기장의 세기를 크게 하여 코일에 작용하는 힘을 늘려서 구동핀이 동작되는 추력을 늘려줄 수 있게 되는 효과가 있다.

본 발명에서는 구동핀 자체에 철심과 코일을 설치하고 상기 코일과 마주보게 영구자석을 하우징의 내면에 설치하여 코일과 영구자석 사이의 상호작용에 의해 구동핀이 직선운동하도록 하였다. 이와 같이, 별도의 보빈을 사용하지 않고 구동핀 자체에 코일 등을 설치하였으므로, 전체적으로 부품수가 줄어들고 엑츄에이터의 크기가 소형화되는 효과도 있다.

또한, 구동핀 자체에 내부철심과 코일을 설치하도록 하고 하우징의 내면에 영구자석과 외부철심을 설치하였으므로, 고정부에 해당되는 영구자석과 이동부에 해당되는 코일과의 사이에 관리해야 할 틈새가 하나만 발생하므로 관리해야 할 공차가 줄어들어 조립작업이 쉬워지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 액츄에이터의 바람직한 실시례의 구성을 보인 단면도.
도 2는 본 발명 실시례를 구성하는 영구자석과 코일 사이의 관계를 보인 구성도.
도 3은 본 발명 실시례에서 구동핀의 동작이 일어나기 위한 동작을 설명하는 설명도.
도 4는 본 발명 실시례에서 구동핀이 하우징에서 돌출된 상태를 보인 동작상태도.
도 5는 본 발명 실시례에서 구동핀이 하우징내로 수납된 상태를 보인 동작상태도.

이하, 본 발명의 일부 실시례들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시례를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시례에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시례의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도면들에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 액츄에이터의 외관을 하우징(10)이 형성한다. 상기 하우징(10)은 대략 원통형상으로 내부에 원통형상의 내부공간(12)이 있다. 상기 하우징(10)의 내부공간(12)은 하우징캡(14)에 의해 차폐된다. 실질적으로 상기 하우징캡(14)도 하우징(10)의 일부라고 볼 수 있다. 상기 하우징(10)의 재질은 엑츄에이터의 외관 강도를 유지할 수 있는 재질이면 어떠한 것이라도 상관없다. 상기 하우징캡(14)은 상기 하우징(10)과 동일한 재질로 될 수 있기는 하지만, 반드시 그러할 필요는 없다. 상기 하우징(10)과 하우징캡(14)은 예를 들면 되도록 가벼운 재질로 만들어 전체 엑츄에이터의 중량을 줄일 수 있도록 하는 것이 좋다. 상기 하우징(10)의 재질로는 합성수지나 알루미늄과 같은 가벼운 재질이 좋다.

상기 하우징(10)과 하우징캡(14)에는 아래에서 설명될 구동핀(18)의 직선운동을 안내하기 위한 가이드(16)가 일체로 형성될 수 있다. 도시된 실시례에서는 상기 하우징캡(14)에만 가이드(16)가 형성되어 있으나, 상기 하우징(10)에서 구동핀(18)이 관통하는 부분에 가이드(16)를 일체로 형성할 수 있다.

상기 하우징(10)을 관통하여서는 구동핀(18)이 설치된다. 상기 구동핀(18)은 상기 하우징(10)과 하우징캡(14)을 관통하여 양단부가 외부로 노출되게 구성된다. 하지만, 상기 하우징캡(14)쪽에서 상기 구동핀(18)의 단부가 노출되지 않으면서 지지되도록 할 수도 있다. 상기 구동핀(18)은 이동이 쉽도록 가벼운 재질로 만들어지는 것이 좋다. 상기 구동핀(18)을 만드는 재질의 예로는 알루미늄이 있다. 상기 구동핀(18)은 상기 가이드(16)에 의해 안내되면서 하우징(10) 내외로 직선왕복운동을 하게 된다.

상기 구동핀(18)의 일단부는 액츄에이터의 구동력이 사용되는 쪽과 연결된다. 상기 구동핀(18)의 타단부에는 탄성부재(20)가 설치되어 상기 구동핀(18)이 하우징(10)의 외부로 돌출되었다가 원래의 위치로 되돌아 갈 때 탄성력을 제공한다. 상기 탄성부재(20)의 일단부는 상기 하우징(10), 보다 정확하게는 상기 하우징캡(14)에 지지되고 타단부는 상기 구동핀(18)에 설치된 와셔(22)에 지지되어 상기 구동핀(18)에 탄성력을 제공한다.

상기 하우징(10)의 내부공간(12)에는 영구자석(24)과 외부철심(26)이 설치된다. 본 실시례에서 상기 영구자석(24)과 외부철심(26)은 모두 링형상으로 만들어진다. 상기 영구자석(24)과 외부철심(26)을 상기 하우징(10)에 고정시키는 것은 도면을 기준으로 가장 상측에 있는 외부철심(26)을 하우징(10)에 고정되게 함에 의해 될 수 있다. 즉, 가장 상측의 외부철심(26)이 아래에 있는 영구자석(24)들과 외부철심(26)들을 누르면서 하우징(10)에 고정됨에 의해 전체 영구자석(24)과 외부철심(26)들을 고정한다.

본 실시례에서 상기 외부철심(26)과 영구자석(24)의 설치는 다음과 같이 된다. 상기 구동핀(18)의 길이방향 중간쯤에서 2개의 영구자석(24)이 적층되고 그 상하로 외부철심(26)과 영구자석(24)이 차례로 위치된다. 도면을 기준으로 최상단과 최하단에는 외부철심(26)이 위치된다. 즉, 본 발명에서는 하나의 외부철심(26)의 양측에 영구자석(24)이 구비된 세트가 반복하여 있고 외부철심(26)과 영구자석(24)이 적층된 구조의 양측 단부에는 외부철심(26)이 위치된다.

여기서 영구자석(24)의 극성은 도면에서와 같이 배치됨에 의해 구동핀(18)이 도면을 기준으로 하방으로 이동하였다가 다시 상방으로 이동하는 운동을 만들 수 있다. 상기 외부철심(26)은 영구자석(24)에서 나오는 자속이 흐르는 자로를 형성한다.

상기 구동핀(18)에는 내부철심(29)과 코일(30)이 설치된다. 도시된 실시례에서는 상기 구동핀(18)의 외면을 둘러서 핀홈(28)이 소정 깊이로 형성된다. 상기 핀홈(28)에는 내부철심(29)이 설치된다. 상기 내부철심(29)도 링형상으로 만들어진다. 상기 내부철심(29)이 상기 핀홈(28)에 설치됨에 의해 구동핀(18)의 직선운동시에 내부철심(29)이 구동핀(18)과 상대 이동되지 않는다. 물론, 상기 핀홈(28)을 형성하지 않고 상기 구동핀(18)의 양단에 키이나 와셔를 설치하여 내부철심(29)이 구동핀(18)에 고정되게 할 수 있다.

상기 내부철심(29)의 외면을 둘러서는 코일(30)이 설치된다. 상기 코일(30)은 상기 외부철심(26)과 마주보게 소정의 간격을 가지고 설치된다. 상기 코일(30)은 상기 내부철심(29)의 외주면을 둘러 설치된다. 상기 코일(30)도 상기 내부철심(29)에 형성된 홈 내에 설치되는 것이 좋다. 상기 코일(30)의 외관 형상은 대략 링형상으로 된다. 본 실시례에서는 2개의 코일(30)이 있으나 반드시 그러한 것은 아니고 하나 이상의 코일(30)이 상기 외부철심(26)과 대응되는 위치에 있게 된다.

상기 코일(30)은 도면을 기준으로 그 높이방향 중심부가 상기 외부철심(26)중 마주보는 것의 높이방향 중심부와 같은 위치에 설치된다. 즉, 상기 외부철심(26)을 통해서 전달되는 자속이 전체적으로 상기 코일(30)을 통과할 수 있도록 코일(30)과 마주보는 외부철심(26)은 도 1을 기준으로 높이방향으로 적어도 동일한 치수를 가진다. 물론, 상기 코일(30)의 높이방향 치수가 상기 외부철심(26)의 대응되는 치수보다 크게 될 수 있다.

이와 같이 상기 코일(30)을 외부철심(26)과 대응되는 위치에 두는 것은 영구자석(24)에 의해 형성되는 자속이 상기 외부철심(26)에서 내부철심(29)으로 가면서 상기 코일(30)을 통과하여 다시 외부철심(26)을 지나서 영구자석(24)으로 유동되는 경로를 만들도록 하기 위함이다. 이와 같은 경로는 도 2에 잘 도시되어 있다. 본 발명에서는 하나의 코일(30)에 2개의 자로가 형성되면서 코일(30)을 통과하는 자속의 양이 상대적으로 늘어나도록 하고 있다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 액츄에이터가 사용되는 것을 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 상기 코일(30)에 전류가 흐르도록 함에 의해 플레밍의 왼손법칙에 따라 코일(30)이 자기장 내에서 이동되도록 하는 힘이 발생하게 하여 상기 구동핀(18)의 이동을 만들어낸다. 즉 상기 하우징(10)에서 상기 구동핀(18)이 외부방향으로 일정 길이 더 돌출되도록 한다. 이와 같은 상태가 도 4에 도시되어 있다.

그리고 상기 코일(30)에 가해지던 전류가 제거되면 상기 탄성부재(20)의 복원력에 의해 상기 구동핀(18)이 원래의 위치로 이동하게 된다. 이와 같은 동작을 수행하여 액츄에이터를 통해 원하는 부분의 구동을 만들어낸다. 도 5에는 상기 구동핀(18)이 원래의 위치로 이동된 상태가 도시되어 있다.

도 2와 도 3을 참고하여 상기 구동핀(18)이 이동되는 동작을 설명하기로 한다. 도시된 실시례에서는 상기 영구자석(24)의 자력에 의해 자기장이 형성되어 실선화살표로 표시한 바와 같이 폐곡선을 형성하도록 자속이 흐르게 된다. 상기 영구자석(24)은 그 극성의 방향에 따라 도 3에 굵은 화살표로 표시한 바와 같은 방향으로 자속을 발생시킨다.

따라서, 각각의 영구자석(24)에 의해 도 3에 도시된 바와 같이 사각형으로 표시된 자로를 통해 자속이 유동된다. 도 3을 기준으로 가장 상부에는 반시계방향으로 자로가 형성된다. 즉, 영구자석(24)에서 시작해서 외부철심(26), 내부철심(29), 코일(30), 외부철심(26)을 통과해 원래의 영구자석(24)으로 들어가도록 자로가 형성되어 자속이 흐르게 된다.

상부에서 2번째와 3번째 영구자석에 의해서는 시계방향으로 자로가 형성되고 제일 아래쪽의 영구자석(24)에 의해서는 반시계방향으로 자로가 형성되어 자속이 흐르게 된다. 물론, 상기 자속의 방향은 상기 영구자석(24)의 극성을 어떻게 배치하느냐에 따라 반대로 될 수도 있다.

이와 같은 상태에서 상기 코일(30)에 전류가 가해지면 상기 코일(30)을 이동시키는 힘이 발생하게 된다. 도 3을 기준으로 상부 우측에 있는 코일(30)에서는 지면으로 들아가는 방향으로 전류가 가해지고, 하부에 있는 코일(30)에서는 지면에서 나오는 방향으로 전류가 가해진다. 이와 같이 전류가 가해지면 상기 코일(30)들에는 모두 화살표 F의 방향으로 이동시키는 힘들이 작용을 하고, 이에 의해 구동핀(18)을 이동시키게 된다. 이와 같은 동작은 상기 영구자석(24), 외부철심(26) 및 코일(30)에 의해서 구동핀(18) 전체를 둘러서 힘을 발생시키면서 구동핀(18)을 이동시킨다.

이와 같이 상기 코일(30)에 전류를 인가하게 되면 상기 구동핀(18)의 이동이 발생하여 도 4에 도시된 상태로 상기 구동핀(18)이 하우징(10)의 외부로 상대적으로 돌출된다.

그리고, 상기 코일(30)에 인가되었던 전류를 제거하면 상기 코일(30)에 더 이상 플레밍의 왼손법칙에 의한 힘이 작용하지 않으면서 상기 탄성부재(20)의 복원력이 작용하여 도 5에 도시된 바와 같은 상태로 상기 구동핀(18)이 원래의 위치로 이동하게 된다.

이상에서, 본 발명의 실시례를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시례에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

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 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 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.

도시된 실시례에서는 상기 하우징(10), 내부공간(12), 가이드(16), 영구자석(24), 외부철심(26), 내부철심(29) 등 대부분이 원통형상이나 링형상으로 되는 것으로 설명되었으나, 반드시 그러한 것은 아니다.

예를 들면, 상기 하우징(10)의 외관은 원형이 아니고 육면체 등으로 될 수 있고, 상기 가이드(16)의 내부도 원형이 아닌 단면이 다각형상으로 될 수도 있다.

10: 하우징 12: 내부공간
14: 하우징캡 16: 가이드
18: 구동핀 20: 탄성부재
22: 와셔 24: 영구자석
26: 외부철심 28: 핀홈
29: 내부철심 30: 코일

Claims (7)

1. 내부공간이 형성된 하우징과,
   상기 하우징의 중앙을 관통하여 설치되어 직선이동하는 구동핀과,
   상기 구동핀에 설치되어 구동핀의 이동과 일체로 이동하는 내부철심과,
   상기 내부철심에 설치되어 상기 구동핀과 일체로 이동하는 코일과,
   상기 하우징의 내부공간에 설치되어 자력을 발생시키는 영구자석과,
   상기 내부철심과 함께 상기 영구자석에서 나온 자속이 이동하는 경로를 형성하고 상기 구동핀에 설치된 코일과 소정 간격을 두고 마주보게 상기 내부공간에 설치되는 외부철심을 포함하고,
   상기 하우징의 일단부에는 하우징캡이 설치되어 상기 내부공간을 외부와 차폐하며,
   상기 하우징캡의 외부로 돌출된 상기 구동핀에는 와셔가 설치되고 상기 와셔와 하우징캡의 사이에는 탄성부재가 설치되어 상기 코일에 전류가 인가되지 않을 때 상기 구동핀에 탄성복원력을 제공하는 액츄에이터.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구동핀의 외면에 형성된 핀홈에 상기 내부철심이 설치되고 상기 내부철심의 외면에 상기 코일이 설치되는 액츄에이터.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 하우징에는 가이드가 구비되어 상기 구동핀의 이동을 안내하는 액츄에이터.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부철심과 영구자석은 외부철심의 양측에 영구자석이 구비된 세트가 반복되어 설치되고 외부철심과 영구자석이 적층되어 배치된 양측 단부에는 외부철심이 위치되는 액츄에이터.
   
7. 제 6 항에 있어서, 상기 외부철심과 마주보는 코일을 상기 외부철심의 양측에 위치하는 영구자석으로부터 발생된 자속이 각각 통과하게 되는 액츄에이터.

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