KR102336459B1 - 압력 피드백 서보 밸브 - Google Patents

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류성무
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Abstract

본 발명은, 외부의 신호에 따라 압력 노즐을 선택적으로 개폐하는 플래퍼를 작동시킬 수 있도록 구성되는 토크 모터, 일측이 토크 모터와 연결되며, A 포트, B 포트, 탱크 포트 및 압력 포트와 연통되는 슬리브를 포함하여 구성되는 바디부, 슬리브 내의 소정 구간에서 왕복가능하게 구성되며, 위치에 따라 유체의 유동경로를 결정하도록 구성되는 스풀 및 A 포트 및 B 포트로부터 각각 스풀의 양측단부에 압력이 전달될 수 있도록 구성되는 한 쌍의 압력 피드백 채널을 포함하는 유압 피드백 서보 밸브에 관한 것이다.
본 발명에 따른 압력 피드백 서보 밸브는 로드측과 연결된 압력 피드백 채널이 스풀에 피드백 힘을 전달할 수 있으므로, 전기 신호 만으로 별도의 센서 없이 직접적인 힘과 토크의 제어가 가능하다. 또한 역구동이 가능하며(Backdrivable), 안전하게 외부 환경과 상호작용하는 제어가 가능하다.
또한 스풀의 마찰력 및 동심에 의한 간섭 문제를 완화시킬 수 있어 기존 서보 밸브의 히스테리시스 문제를 개선하여 보다 정확한 제어를 수행할 수 있는 효과가 있다.

Description

압력 피드백 서보 밸브{PRESSURE FEEDBACK SERVO-VALVE}
본 발명은 압력 피드백 서보 밸브에 관한 것이며, 보다 상세하게는 외부와 연결된 부하에서 생성된 압력의 변화에 대한 피드백으로 힘/토크 제어가 가능한 서보 밸브에 관한 것이다.
서보 밸브(servo valve)란 밸브에 가해지는 전기 신호에 따라 연속적으로 밸브의 스풀(spool)을 움직여서 유량이나 압력을 제어할 수 있는 밸브를 뜻한다. 이러한 서보 밸브는 각종 유압 시스템에 활용되며, 강한 힘을 필요로 하는 항공기, 자동차, 선박, 로봇 등 다양한 분야에서 적용되고 있다.
종래의 서보 밸브와 관련하여 대한민국 등록특허 제1110280 호가 개시되어 있다. 그러나 이러한 종래의 서보 밸브는 유압을 이용한 제어 시스템은 속도와 위치 제어에 용이하지만 힘과 토크 제어에는 불리하고 외부에서 구동부에 가해지는 외력에 대한 능동적인 대처가 불가능한 특성을 갖고 있다. 따라서 로봇과 같이 외부 환경과 상호작용해야 하는 장비에 구비되는 유압 시스템은 힘/토크 센서와 같은 추가적인 장비가 필요로 하며, 이에 따라 부피 및 조립 복잡도 면에서 불리하여 로봇 시스템에 바로 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
또한 서보 밸브는 스풀과 밸브 바디 간의 마찰에 의해 스풀의 위치를 입력 신호에 의해 정밀하게 제어할 수 없는 ‘히스테리시스’ 문제가 발생하여 정확한 힘/토크의 제어에 어려운 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제1110280 호
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결할 수 있도록 압력 피드백을 통하여 서보 밸브를 구동하며, 히스테리시스 문제를 개선하여 개선된 제어성능을 갖는 서보 밸브를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기 과제의 해결 수단으로서, 외부의 신호에 따라 압력 노즐을 선택적으로 개폐하는 플래퍼를 작동시킬 수 있도록 구성되는 토크 모터, 일측이 토크 모터와 연결되며, A 포트, B 포트, 탱크 포트 및 압력 포트와 연통되는 슬리브를 포함하여 구성되는 바디부, 슬리브 내의 소정 구간에서 왕복가능하게 구성되며, 위치에 따라 유체의 유동경로를 결정하도록 구성되는 스풀 및 A 포트 및 B 포트로부터 각각 스풀의 양측단부에 압력이 전달될 수 있도록 구성되는 한 쌍의 압력 피드백 채널을 포함하는 유압 피드백 서보 밸브가 제공될 수 있다.
한편, 스풀은, A 포트 또는 B 포트에 압력이 변화되는 경우 양측 단부에 작용하는 압력 차이에 따라 길이방향으로 이동되도록 구성될 수 있다.
또한, 스풀은, 양단이 한 쌍의 압력 피드백 채널에 각각 삽입될 수 있도록 길이방향으로 연장되어 형성되는 한 쌍의 압력 피드백 포트를 더 포함할 수 있다.
한편, 압력 피드백 포트의 단면적은 슬리브의 내경보다 작게 구성될 수 있다.
또한, 한 쌍의 압력 피드백 포트는 스풀의 길이방향의 작동거리(stroke) 내에서 한 쌍의 압력 피드백 채널에 각각 삽입된 상태를 유지할 수 있도록 구성될 수 있다.
나아가, 압력 피드백 포트는 압력 피드백 채널 내에서 길이방향으로 이동시 마찰력을 감소시킬 수 있도록 회전반경을 따라 절삭된 적어도 하나의 홈을 포함할 수 있다.
한편, 압력 피드백 채널은 바디부에 형성될 수 있다.
또한, 바디부는, 토크 모터가 상측에 연결되며, 내측에 슬리브 및 스풀이 배치될 수 있도록 구성되며, A 포트, B 포트, 탱크 포트 및 압력 포트와 연결되기 위한 복수의 유로가 형성되는 유압 매니폴드, 유압 매니폴드의 양측으로 노출된 스풀의 양단이 각각 삽입될 수 있도록 구성되는 한 쌍의 유압 하우징 블록 및 한 쌍의 유압 하우징 블록을 유압 매니폴드와 상대적으로 이동시킬 수 있도록 구성되는 지그를 더 포함할 수 있다.
한편, 지그는, 복수의 지점에서 유압 매니폴드와 고정되며, 내측에 유압 하우징 블록이 수용될 수 있도록 구성되는 유압 하우징 블록 수용 홈이 구비되며, 복수의 지점에서 유압 하우징 블록 수용 홈으로 관통되어 형성되는 조절나사 삽입구가 형성될 수 있다.
한편, 조절나사 삽입구는, 스풀의 길이방향과 수직한 2 방향으로 형성되며, 조절나사가 삽입됨에 따라 유압 하우징 블록의 위치를 이동시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
한편, 일단이 플래퍼와 연결되며, 타단이 스풀의 길이방향의 중심부분에 지지되며, 스풀이 중립위치로 복귀되도록 복원력을 제공하는 피드백 스프링을 더 포함할 수 있다.
한편, 유압 피드백 채널의 적어도 일부는 유압 하우징 블록에 형성되며, 스풀의 압력 피드백 포트는 유압 하우징 블록에 형성된 유압 피드백 채널에 적어도 일부가 삽입되도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 압력 피드백 서보 밸브는 로드측에 작용하는 압력의 변화를 피드백하여 제어할 수 있어 능동적으로 힘/토크의 제어가 가능하며, 압력 서보 밸브에 피드백 스프링 및 스풀의 양 끝단에 하나 이상의 홈 구조를 활용한다. 또한, 스풀과 압력 피드백 포트간의 축의 동심을 맞추기 위한 정밀 제어를 통해 ‘히스테리시스’ 문제를 개선하고 서보 밸브의 제어 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예인 압력 피드백 서보 밸브의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예인 압력 피드백 서보 밸브의 분해사시도이다.
도 3은 도 2에서 스풀의 중심축을 기준으로 절개한 단면도이다.
도 4는 유압 매니폴드의 일측과 스풀이 나타난 부분 절개도이다.
도 5는 도 3의 압력 피드백 포트를 확대하여 도시한 부분확대도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 압력 피드백 서보 밸브의 작동상태도이다.
도 8은 본 발명에 따른 다른 실시예의 지그 및 유압 매니폴드를 나타낸 사시도이다.
도 9은 스풀과 양 측단의 매니폴드 간의 축을 정렬하기 위한 지그의 사용상태도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 압력 피드백 서보 밸브에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술 분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예인 압력 피드백 서보 밸브의 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 일 실시예인 압력 피드백 서보 밸브의 분해사시도이며, 도 3은 도 2에서 스풀(250)의 중심축을 기준으로 절개한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 압력 피드백 서보 밸브는 토크 모터(100)와 바디부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
토크 모터(100)는 내부에 구비된 플래퍼(120)의 위치를 변환하여 후술할 바디부(200)의 노즐(270)을 선택적으로 개폐할 수 있도록 구성된다. 토크 모터(100)는 바디부(200)의 일측에 연결되며, 내측의 유압이 외부에 연결되지 않도록 바디부(200)와의 연결부분이 실링될 수 있다.
토크 모터(100)는 플래퍼(120)에 구비되는 피드백 스프링(130)이 구비될 수 있다. 피드백 스프링(130)은 스풀(250)이 일측으로 이동했을 대 원위치할 수 있는 복원력을 제공하도록 구성될 수 있다. 피드백 스프링(130)의 일측은 플래퍼(120) 또는 아마추어(110)의 중심축에 연결되며, 타측은 스풀(250)의 길이방향의 중심부분에 지지되도록 설치될 수 있다. 피드백 스프링(130)은 스풀(250)이 복원력을 증가시켜 스풀(250)의 이동시 슬리브(260)와의 마찰력에 의한 저항을 극복하고 중립의 위치, 즉 중심위치로 원위치할 수 있는 힘을 제공할 수 있어 히스테리시스 (hysteresis)를 극복할 수 있다. 따라서 다만, 토크 모터(100)는 아마추어(110)와 플래퍼(120), 영구자석, 전자석을 포함하여 구성될 수 있으며, 이러 한 토크 모터(100)의 구성은 널리 사용되는 구성이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
바디부(200)는 토크 모터(100)의 구동에 따라 유체가 유동하는 경로를 선택적으로 전환하도록 구성될 수 있다. 바디부(200)는 유압 매니폴드(210), 유압 하우징 블록(220), 지그(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
유압 매니폴드(210)는 내측에 형성된 복수의 유로를 포함하여 구성되며, 내측에 스풀(250)이 일 방향으로 직선이동 가능하도록 위치될 수 있다. 유압 매니폴드(210)는 중심부 매니폴드(211), 하부 매니폴드(212) 및 측부 매니폴드(213)를 포함하여 구성될 수 있다.
중심부 매니폴드(211)는 토크 모터(100)의 작동에 의해 플래퍼(120)가 작용하여 유로의 유동 경로가 전환될 수 있도록 구성된다. 중심부 매니폴드(211)는 노즐(270), 슬리브(260) 및 스풀(250)을 포함하여 구성될 수 있다.
노즐(270)은 서로 나란하게 대면하여 구비되며, 플래퍼(120)의 각도가 전환될 때 분사구가 밀폐되도록 구성될 수 있다. 노즐(270)이 플래퍼(120)에 의해 밀폐되는 경우 분사구가 밀폐된 노즐(270)의 내부에는 압력이 증가되며, 증가된 압력은 스풀(250)에 전달되어 스풀(250)이 이동하게 된다.
슬리브(260)는 스풀(250)이 내측에 수용가능하게 구성되며, 서로 원활하게 직선이동 될 수 있는 단차를 두어 구성될 수 있다. 슬리브(260)는 중심부 매니폴드(211)에 측 방향으로 삽입될 수 있다. 슬리브(260)는 원통형으로 구성될 수 있으며, 중심부 매니폴드(211)에 구비된 복수의 포트와 슬리브(260)의 내외부가 유체소통될 수 있도록 반경방향으로 형성된 복수의 개구를 포함하여 구성될 수 있다.
스풀(250)은 슬리브(260) 내측에서 직선이동하여 유체 이동을 전환할 수 있도록 구성된다. 스풀(250)은 연장된 길이방향으로 직선이동 될 수 있도록 구성된다. 스풀(250)은 전체적으로 원기둥 형상으로 구성되며, 원기둥의 복수의 지점에서 반경방향으로 확장되어 형성되는 확장부(251)를 포함하여 구성될 수 있다. 확장부(251)와 확장부(251) 사이의 공간은 스풀 챔버(254)가 되며, 유압이 수용되는 경우 스풀(250)의 길이방향에 압력에 의한 힘이 작용될 수 있도록 구성될 수 있다. 스풀(250)은 위치에 따라 스풀 챔버(254)와 유체소통되는 채널이 전환될 수 있으며, 스풀 챔버(254)와 동시에 유체소통되는 채널은 서로 압력이 전달되며, 스풀 챔버(254)를 통하여 유체가 유동될 수 있게 된다.
한편, 스풀(250)의 양단에는 외부의 부하에 의해 작용하는 압력변화를 피드백할 수 있도록 압력 피드백 포트(252)가 구비될 수 있다. 압력 피드백 포트(252)는 스풀(250)의 길이방향의 양단에 연장되어 형성될 수 있다. 압력 피드백 포트(252)는 각각 외부의 부하, 예를 들어 액추에이터의 챔버와 연결되는 A 포트(310) 및 B 포트(320)에 작용하는 압력이 전달되도록 구성될 수 있다. 따라서 A 포트(310) 및 B 포트(320)에 작용하는 압력이 변화되면 스풀(250)의 길이방향으로 작용하는 힘도 달라져 스풀(250)의 위치 이동이 이루어지게 된다. 결국 별도의 토크 모터(100)의 조작을 하지 않더라도 스풀(250)이 외부의 액추에이터로부터 압력을 피드백받을 수 있게 된다.
한 쌍의 압력 피드백 포트(252)는 각각 후술할 측부 매니폴드(213)에 형성된 압력 피드백 채널(350)에 삽입될 수 있다. 압력 피드백 포트(252)는 압력 피드백 채널(350)에 삽입되면서 밀폐할 수 있도록 구성되며, 길이방향으로 소정길이로 이동될 수 있도록 구성될 수 있다. 즉 스풀(250)의 길이방향의 가동거리(stroke) 내에서 양측의 압력 피드백 포트(252)는 한 쌍의 측부 매니폴드(213)에 구비된 압력 피드백 채널(350) 내에 삽입된 상태로 유지될 수 있다. 따라서 압력 피드백 포트(252)는 스풀(250)의 수평위치와 무관하게 지속적으로 외부의 압력 변화에 의한 압력을 피드백 받을 수 있게 된다.
하부 매니폴드(212)는 외부의 부하, 예를 들어 액추에이터와 연결되는 복수의 채널이 구비될 수 있다. 하부 매니폴드(212)는 중심부 매니폴드(211)의 하측에 구비될 수 있으며, 중심부 매니폴드(211)의 슬리브(260)와 유체소통 될 수 있도록 구성되는 A 포트(310) 및 B 포트(320)가 구비될 수 있다.
측부 매니폴드(213)는 중심부 매니폴드(211) 및 하부 매니폴드(212)를 측방향, 즉 도 2 상에서 x 축 방향의 양단에서 연결될 수 있도록 구성될 수 있다. 측부 매니폴드(213)는 스풀(250)의 압력 피드백 포트(252)가 후술할 유압 하우징 블록(220)에 삽입될 수 있도록 측 방향으로 관통되어 형성되는 구멍을 포함할 수 있다.
유압 하우징 블록(220)은 스풀(250)의 양측에 구비된 압력 피드백 포트(252)에 압력이 피드백될 수 있도록 구성된다. 유압 하우징 블록(220)은 측부 매니폴드(213)의 양측의 외곽에 구비되며, 스풀(250)의 양측에서 지지할 수 있도록 구성될 수 있다. 유압 하우징 블록(220)은 스풀(250)의 압력 피드백 포트(252)가 삽입될 수 있도록 스풀(250)의 길이방향, 즉 x 방향으로 관통되어 형성되는 압력 피드백 포트 수용 홈(221)을 포함하여 구성될 수 있다. 압력 피드백 포트 수용 홈(221)은 압력 피드백 채널(350)의 일부로서 기능하며, 스풀(250)의 압력 피드백 포트(252)가 삽입된 상태에서 x 방향으로 슬라이딩이 가능한 내경을 갖도록 구성될 수 있다. 압력 피드백 포트 수용 홈(221)은 일측에서 압력 피드백 포트(252)가 삽입되며, 타측에서 압력 피드백 채널(350)과 유체소통될 수 있다.
지그(230)는 측부 매니폴드(213)와 유압 하우징 블록(220)의 외곽에 구비될 수 있다. 지그(230) 중 측부 매니폴드(213)와 대면하는 면에는 전술한 유압 하우징 블록(220)이 삽입되어 배치될 수 있도록 유압 하우징 블록(220)의 형상에 대응하여 형성되는 유압 하우징 블록 수용 홈(231)이 구비될 수 있다. 지그(230)의 내부에는 압력 피드백 채널(350)이 구비될 수 있으며, 압력 피드백 채널(350)은 지그(230)의 일측 외면으로부터 유압 하우징 블록 수용 홈(231)으로 연장되어 형성될 수 있으며, 최종적으로 유압 하우징 블록(220)의 압력 피드백 포트 수용 홈(221)과 유체소통되어 형성될 수 있다.
도 4는 유압 매니폴드의 일측과 스풀이 나타난 부분 절개도이고, 도 5는 도 3의 압력 피드백 포트(252)를 확대하여 도시한 부분확대도이다.
도 3을 참조하면, 스풀(250)의 양단에 스풀(250)의 길이방향으로 연장되어 형성되는 압력 피드백 포트(252)가 유압 하우징 블록(220)의 압력 피드백 포트 수용 홈(221)에 삽입되어 있는 상태가 도시되어 있다. 압력 피드백 포트(252)는 스풀(250)은 길이방향으로의 위치가 변환되더라도 양측 단부에서 압력 피드백 채널(350)로부터 지속적으로 압력을 제공받을 수 있게 된다. 다만 도시되지는 않았으나, 한 쌍의 압력 피드백 채널(350)은 외부에서 A 포트(310) 및 B 포트(320)와 유체소통되도록 구성되는 등 외부와 연결되어 있는 액추에이터로부터 압력을 직접 압력 피드백 포트(252)에 적용시킬 수 있는 다양한 구성으로 변형되어 적용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 유압 매니폴드(210)는 다양한 경로의 유체 이동경로가 형성될 수 있다. 구체적으로 하부 매니폴드(212)에서 수직방향으로 관통하여 압력 포트(340), A 포트(310) 및 B 포트(320)가 형성되며, 중심부 매니폴드의 스풀(250)측으로 유체소통할 수 있도록 구성될 수 있다.
하부 매니폴드(212) 및 측부 매니폴드(213)에는 A 포트(310)에서 스풀(250)의 압력 피드백 포트(252)로 유압이 전달되기 위한 유압 피드백 채널(350)의 적어도 일부가 형성될 수 있다.
구체적으로, 하부 매니폴드(212)에는 제1-1 유압 피드백 채널(351)이 B 포트(320)로부터 수평방향으로 연장되어 형성되며, 측부 매니폴드(213)에 형성되어 있는 제1-2 유압 피드백 채널(352)과 연결될 수 있다. 제1-2 유압 피드백 채널(352)은 측부 매니폴드(213) 내부에서 수평방향 및 수직방향으로 형성되며, 일측 유압 하우징 블록(220)의 유압 피드백 포트 수용 홈(221)과 유체소통될 수 있다.
또한 하부 매니폴드(212)에는 제2-1 유압 피드백 채널(353)이 A 포트(310)로부터 수평방향으로 연장되어 형성되며, 측부 매니폴드(213)에 형성되어 있는 제1-2 유압 피드백 채널(354)과 연결될 수 있다. 제2-2 유압 피드백 채널(354)은 측부 매니폴드(213) 내부에서 수평방향 및 수직 방향으로 형성되며, 타측 유압 하우징 블록(220)의 유압 피드백 포트 수용 홈(221)과 유체소통 될 수 있다.
결국 유압 매니폴드(210)에는 A 포트(310), B 포트(320)로부터 스풀(250)의 양측 단부인 압력 피드백 포트(252)에 압력을 전달할 수 있도록 유압 피드백 패널(350)이 형성되므로 외력에 의해 A 포트(310) 및 B 포트(320) 측에서 발생하는 압력의 변화를 피드백하여 스풀(250)의 위치가 변할 수 있게 된다.
도 5를 참조하면, 압력 피드백 포트(252)는 원통형의 형상으로 스풀(250)의 단부측에 구비되며, 외측에 스풀(250)의 길이방향의 중심축을 기준으로 둘레 방향을 따라 적어도 하나의 홈(253)이 형성될 수 있다. 압력 피드백 포트(252)의 홈(253)은 압력 피드백 포트 수용 홈(221)과 압력 피드백 포트(252)의 외면간의 마찰력을 최소화 할 수 있도록 구성되며, 따라서 스풀(250)의 수평방향 이동을 원활하게 확보할 수 있게 된다.
이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 압력 피드백 서보 밸브의 작동원리에 대하여 설명하도록 한다. 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 압력 피드백 서보 밸브의 작동상태도이다. 본 도면에서는 설명의 편의를 위해 구성요소를 단순화하여 나타내었다.
도 6를 참조하면, 스풀(250)과 유체소통될 수 있는 유로, 즉 A 포트(310), B 포트(320), 탱크 포트(330) 및 압력 포트(340)가 구성되어 있다. 압력 포트(340)는 한 쌍의 노즐(270)에도 유압을 공급한다. A 포트(310)와 B 포트(320)는 외부의 부하, 즉 액추에이터와 연결될 수 있다.
A 포트(310)의 일측은 압력 피드백 채널(350)과 유체소통되며, A 포트(310)에 작용하는 압력이 도 6 상에서 스풀(250)의 좌측의 압력 피드백 포트에 작용하게 된다. 마찬가지로 B 포트(320)의 일측은 압력 피드백 채널(350)이 유체소통되며, B 포트(320)에 작용하는 압력이 도 5 상에서 우측의 압력 피드백 포트(252)에 작용하게 된다.
도 7을 참조하면, 사용자의 입력에 의해 토크 모터(100)가 작동하여 스풀(250)이 도 7 상에서 좌측으로 이동된 모습이 도시되어 있다. 스풀(250)이 좌측으로 이동하여 A 포트(310)와 압력 포트(340)가 유체소통되어 압력이 공급된다. 또한 B 포트(320)에서는 탱크 포트(330)와 유체소통되어 유체가 회수된다. 이때 좌측의 유압 피드백 포트에는 공급 압력(Ps)이 작용하게 되며, 우측의 유압 피드백 포트에는 공급 압력(Ps) 보다 작은 회수 압력(Pr)이 작용한다.
스풀(250)은 공급 압력(Ps)과 회수 압력(Pr)의 차이에 따른 복원력(F)를 받게 된다. 여기서 압력 피드백 포트(252)의 단면적이 스풀(250)의 확장부(251)보다 작은 크기로 구성되어 피드백되는 유압에 의한 복원력의 크기가 스풀(250)을 구동하기 위한 구동력보다 작아지게 된다. 따라서 유압 피드백에 의한 복원력 자체가 구동력보다 크지 않게 설정되어 스풀(250)의 직접 구동에 미치는 영향을 일정 비율 이내로 결정할 수 있게 된다.
스풀(250)의 동작으로 공급 압력의 유체가 액추에이터(actuator, 1000)의 로테이터 배인(1210)과 고정부 배인(1110)의 사이에 형성되는 챔버(1300)에 공급되면, 액추에이터의 로테이터(1200)는 도 6 상에서 시계 반대방향으로 회전하게 된다. 이때 로터리 액추에이터의 외부에서 구동방향에 저항하는 외력이 작용하면 내부의 챔버 또한 압력이 변화된다. 이때 A 포트(310) 및 B 포트(320) 각각의 변화된 압력은 압력 피드백 채널(350)을 통하여 전달된다. 스풀(250)의 양단에 압력이 변화되면 양측 압력 피드백 포트(252)에 작용하는 피드백 힘의 차이에 의해 스풀(250)의 길이방향의 위치가 조절된다. 따라서 외부의 압력 변화에 의한 피드백이 구조적으로 이루어질 수 있게 되므로 정밀한 제어를 수행할 수 있게 된다.
이하에서는 도 8 및 도 9을 참조하여 본 발명에 따라 스풀(250)의 위치를 정밀하게 조절할 수 있는 실시예에 대하여 설명하도록 한다. 본 실시예에서도 전술한 실시예와 동일한 구성요소를 포함하여 구성될 수 있으며,
도 8은 본 발명에 따른 다른 실시예의 지그(230) 및 유압 매니폴드(210)를 나타낸 사시도이다.
도 8을 참조하면, 지그(230)에는 유압 하우징 블록 수용 홈(231)에 삽입된 유압 하우징 블록(220)의 위치를 조절할 수 있는 조절나사(241, 242, 244)를 포함하여 구성될 수 있다. 지그(230)는 외곽면에서부터 유압 하우징 블록 수용 홈(231)까지 연장되어 형성되는 조절나사 삽입구가 형성될 수 있다. 조절나사 삽입구는 도 7 상에서 지그(230)의 외곽면으로부터 조절나사가 삽입가능한 크기로 z 방향 및 y 방향의 양측에서 삽입되도록 구성될 수 있다. 조절나사(241, 242, 244)는 유압 하우징 블록(220)의 노출된 측면을 지지하며 위치를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이 유압 하우징 블록(220)에는 압력 피드백 포트 수용 홈(221)이 구비되며, 압력 피드백 포트 수용 홈(221)에는 스풀(250)의 압력 피드백 포트(252)가 삽입되어 조립된다. 따라서 유압 하우징 블록(220)의 위치를 조절하면 스풀(250)의 위치를 조절할 수 있게 된다.
도 9는 스풀과 양 측단의 매니폴드 간의 축을 정렬하기 위한 지그의 사용상태도이다. 지그(230)는 하부 매니폴드(212) 및 중심부 매니폴드(211)와 고정되어 설치되므로 조절나사를 조작하는 경우 유압 하우징 블록(220)이 지그(230)상에서 이동할 수 있게 된다. 즉 유압 하우징 블록(220)에 양측이 고정된 스풀(250)에 대하여 길이방향의 수직한 2 방향으로 위치를 조절할 수 있도록 구성된다. 즉 스풀(250)과 유압 하우징 블록(220)간이 축의 중심을 맞추기 위해 지그(230)의 위치를 조절할 수 있게 된다.
한편, 유압 하우징 블록 수용 홈(231)은 유압 하우징 블록(220)이 삽입되었을 때 y축 및 z 축으로 이동이 가능할 수 있도록 유압 하우징 블록(220)보다 다소 큰 크기로 홈의 크기가 결정될 수 있다.
도 9a를 참조하면, 제2 y 축 조절나사(244)를 조작하여 지그(230)와 유압 하우징 블록(220)의 y 축 방향의 상대적인 위치를 조절하는 개념이 도시되어 있다. 제2 y 축 조절나사(244)를 조작하여 유압 하우징 블록(220)을 도 9a 상에서 좌측으로 밀어낼 수 있다. 이 경우 스풀(250)은 일측이 y+ 방향으로 이동된다. 한편, 도시되지는 않았으나, 반대로 제1 y축 조절나사(241)를 조작하여 유압 하우징 블록(220)을 y- 방향으로 이동시킬 수 있게 된다.
도 9b를 참조하면, z- 방향으로 유압 하우징 블록(220)을 조작하는 개념이 도시되어 있다. z 축 조절나사(242)를 조작하여 유압 하우징 블록(220)을 z- 방향으로 이동시킬 수 있게 된다. 결국 유압 하우징 블록(220)의 위치를 조절하여 최종적으로 중심부 매니폴드(211) 내의 스풀(250)의 위치를 조절가능하므로 동심 정렬을 정밀하게 수행할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 압력 피드백 서보 밸브는 로드측과 연결된 압력 피드백 채널이 스풀에 피드백 힘을 전달할 수 있으므로, 전기 신호 만으로 별도의 센서 없이 직접적인 힘과 토크의 제어가 가능하다. 또한 역구동이 가능하며(Backdrivable), 안전하게 외부 환경과 상호작용하는 제어가 가능하다.
또한 스풀의 마찰력 및 동심에 의한 간섭 문제를 완화시킬 수 있어 기존 서보 밸브의 히스테리시스 문제를 개선하여 보다 정학한 제어를 수행할 수 있는 효과가 있다.
100: 토크 모터 110: 아마추어
120: 플래퍼 130: 피드백 스프링
200: 바디부
210: 유압 매니폴드 211: 중심부 매니폴드
212: 하부 매니폴드 213: 측부 매니폴드
220: 유압 하우징 블록
221: 압력 피드백 포트 수용 홈
230: 지그
231: 유압 하우징 블록 수용 홈
232: 조절나사 삽입구
241: 제1 y축 조절나사 242: z축 조절나사
244: 제2 y축 조절나사
250: 스풀 251: 확장부
252: 압력 피드백 포트 253: 홈
254: 스풀 챔버 260: 슬리브
270: 노즐
310: A 포트 320: B 포트
330: 탱크 포트 340: 압력 포트
350: 압력 피드백 채널
1000: 액추에이터 1110: 고정부 배인
1200: 로테이터 1210: 로테이터 배인
1300: 압력 챔버

Claims (12)

  1. 외부의 신호에 따라 압력 노즐을 선택적으로 개폐하는 플래퍼를 작동시킬 수 있도록 구성되는 토크 모터;
    일측이 상기 토크 모터와 연결되며, A 포트, B 포트, 탱크 포트 및 압력 포트와 연통되는 슬리브를 포함하여 구성되는 바디부;
    상기 슬리브 내의 소정 구간에서 왕복가능하게 구성되며, 위치에 따라 유체의 유동경로를 결정하도록 구성되는 스풀; 및
    상기 A 포트 및 상기 B 포트로부터 각각 상기 스풀의 양측단부에 압력이 전달될 수 있도록 구성되는 한 쌍의 압력 피드백 채널을 포함하며,
    상기 바디부는,
    상기 토크 모터가 상측에 연결되며,
    내측에 상기 슬리브 및 스풀이 배치될 수 있도록 구성되며, A 포트, B 포트, 탱크 포트 및 압력 포트와 연결되기 위한 복수의 유로가 형성되는 유압 매니폴드;
    상기 유압 매니폴드의 양측으로 노출된 상기 스풀의 양단이 각각 삽입될 수 있도록 구성되는 한 쌍의 유압 하우징 블록; 및
    상기 한 쌍의 유압 하우징 블록을 상기 유압 매니폴드와 상대적으로 이동시킬 수 있도록 구성되는 지그를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 피드백 서보 밸브.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스풀은,
    상기 A 포트 또는 상기 B 포트에 압력이 변화되는 경우 상기 양측 단부에 작용하는 압력 차이에 따라 길이방향으로 이동되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 피드백 서보 밸브.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 스풀은,
    양단이 상기 한 쌍의 압력 피드백 채널에 각각 삽입될 수 있도록 상기 길이방향으로 연장되어 형성되는 한 쌍의 압력 피드백 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 피드백 서보 밸브.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 압력 피드백 포트의 단면적은 상기 슬리브의 내경보다 작게 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 피드백 서보 밸브.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 압력 피드백 포트는,
    상기 스풀의 길이방향의 작동거리(stroke) 내에서 상기 한 쌍의 압력 피드백 채널에 각각 삽입된 상태를 유지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 피드백 서보 밸브.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 압력 피드백 포트는 상기 압력 피드백 채널 내에서 길이방향으로 이동시 마찰력을 감소시킬 수 있도록 회전반경을 따라 절삭된 적어도 하나의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 피드백 서보 밸브.
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 압력 피드백 채널은 상기 바디부에 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 피드백 서보 밸브.
  8. 삭제
  9. 제3 항에 있어서,
    상기 지그는,
    복수의 지점에서 상기 유압 매니폴드와 고정되며,
    내측에 상기 유압 하우징 블록이 수용될 수 있도록 구성되는 유압 하우징 블록 수용 홈이 구비되며,
    복수의 지점에서 상기 유압 하우징 블록 수용 홈으로 관통되어 형성되는 조절나사 삽입구가 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 피드백 서보 밸브.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 조절나사 삽입구는,
    상기 스풀의 길이방향과 수직한 2 방향으로 형성되며,
    조절나사가 삽입됨에 따라 상기 유압 하우징 블록의 위치를 이동시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 피드백 서보 밸브.
  11. 제3 항에 있어서,
    일단이 상기 플래퍼와 연결되며,
    타단이 상기 스풀의 길이방향의 중심부분에 지지되며,
    상기 스풀이 중립위치로 복귀되도록 복원력을 제공하는 피드백 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 피드백 서보 밸브.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 압력 피드백 채널의 적어도 일부는 상기 유압 하우징 블록에 형성되며,
    상기 스풀의 압력 피드백 포트는 상기 유압 하우징 블록에 형성된 상기 압력 피드백 채널에 적어도 일부가 삽입되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압력 피드백 서보 밸브.
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