KR102434599B1 - 압전 서보 밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스풀의 직선 운동에 따라 밸브몸체의 내부를 통과하는 유체의 흐름을 단속하는 압전 서보 밸브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전소자에 의해 변위를 발생시키는 압전액추에이터와, 상기 압전액추에이터에서 발생한 변위를 확대하여 스풀의 양단으로 전달하는 변위전달레버를 통해 스풀을 직선 운동시켜 유체의 통과 흐름을 확실하게 단속할 수 있는 압전 서보 밸브에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 유체가 통과하는 유입유로와 배출유로가 구비된 밸브몸체; 상기 유입유로와 배출유로의 사이 공간에서 직선 운동 가능하게 설치되어 위치에 따라 상기 유체의 통과 흐름을 단속하는 스풀; 상기 밸브몸체의 일측에 구비되고 외부에서 인가되는 전원에 따라 압전 운동하는 압전소자로 이루어져 변위를 발생시키는 압전액추에이터; 상기 압전액추에이터와 상기 스풀의 사이에 설치되어 상기 압전액추에이터에서 발생하는 변위를 확대시켜 상기 스풀로 전달하여 상기 스풀을 직선 운동시키는 변위전달레버; 및 상기 압전액추에이터에 인가되는 전원을 제어하여 상기 스풀의 위치를 결정하는 컨트롤러;로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 서보 밸브를 기술적 요지로 한다.

Description

압전 서보 밸브{piezoelectric servo motor}
본 발명은 스풀의 직선 운동에 따라 밸브몸체의 내부를 통과하는 유체의 흐름을 단속하는 압전 서보 밸브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전소자에 의해 변위를 발생시키는 압전액추에이터와, 상기 압전액추에이터에서 발생한 변위를 확대하여 스풀의 양단으로 전달하는 변위전달레버를 통해 스풀을 직선 운동시켜 유체의 통과 흐름을 확실하게 단속할 수 있는 압전 서보 밸브에 관한 것이다.
통상의 서보 밸브(servo valve)는 밸브몸체의 내부에 복수 개의 유로가 형성되고 유로의 사이에 스풀이 직선 운동 가능하게 설치되어 스풀의 직선 운동에 따라 결정되는 위치에 의해 유로를 통과하는 유체의 흐름을 단속하는 것이다.
이때 서보 밸브에는 스풀의 직선 운동이 가능하도록 변위를 발생시키는 액추에이터가 구비되는데, 이는 전자코일을 이용한 전자식 액추에이터로서 구조 및 제어가 복잡하고 전자석으로 인해 열 발생이 많고 코일 소손 등의 고장이 빈번하며 고장시 수리나 교체도 쉽지 않으며 플레퍼로 인해 유체가 오염되고 전력 소모량도 많은 문제점이 있다.
그리하여 상기한 문제점을 해소할 수 있는 압전소자 방식의 액추에이터를 이용하여 스풀을 직선 운동시키는 압전방식에 의한 서보 밸브가 개발되었다.
그러나 상기한 종래의 압전방식에 의한 서보 밸브는 밸브몸체의 일측에 압전소자를 설치하여 스풀의 일단만을 가압하는 형태로 구성됨에 따라 압전소자에 의한 한정된 변위에 의해 스풀의 직선 운동 스트로크가 충분히 확보되지 않아 실제로 적용할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 압전소자를 이용한 액추에이터만으로는 스풀의 직선 운동 스트로크 충분하게 확보되지 않으므로 이를 보완할 수 있는 구성을 부가하거나 구조 개선이 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0125852호, 2014.10.29.자 공개. 대한민국 등록특허공보 제10-0991502호, 2010.10.27.자 등록.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 구조 및 제어가 간편하고 수리 및 교체도 용이한 압전소자를 액추에이터로 이용하고 압전소자의 한정된 변위에 따른 스풀의 직선 운동 스트로크 한계를 보완하여 압전소자를 적용한 압전액추에이터를 실제로 적용할 수 있는 압전 서보 밸브를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 서보 밸브는, 유체가 통과하는 유입유로와 배출유로가 구비된 밸브몸체; 상기 유입유로와 배출유로의 사이 공간에서 직선 운동 가능하게 설치되어 위치에 따라 상기 유체의 통과 흐름을 단속하는 스풀; 상기 밸브몸체의 일측에 구비되고 외부에서 인가되는 전원에 따라 압전 운동하는 압전소자로 이루어져 변위를 발생시키는 압전액추에이터; 상기 압전액추에이터와 상기 스풀의 사이에 설치되어 상기 압전액추에이터에서 발생하는 변위를 확대시켜 상기 스풀로 전달하여 상기 스풀을 직선 운동시키는 변위전달레버; 및 상기 압전액추에이터에 인가되는 전원을 제어하여 상기 스풀의 위치를 결정하는 컨트롤러;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 압전액추에이터는 상기 밸브몸체에 설치된 고정판과, 상기 고정판의 일면 일측에 설치되고 적어도 하나 이상의 압전소자가 압전 운동 방향이 동일하게 수직으로 다단 적층된 제1압전체와, 상기 고정판의 일면 타측에 설치되고 적어도 하나 이상의 압전소자가 압전 운동 방향이 동일하게 수직으로 다단 적층된 제2압전체로 구성되고, 상기 변위전달레버는 상기 제1압전체와 상기 스풀의 일단 사이에 연결되고 링크에 의한 다관절 구조로 이루어져 상기 제1압전체의 압전 운동에 따라 상기 스풀을 일방향으로 직선 운동시키는 제1레버와, 상기 제2압전체와 상기 스풀의 타단 사이에 연결되고 링크에 의한 다관절 구조로 이루어져 제2압전체의 압전 운동에 따라 상기 스풀을 타방향으로 직선 운동시키는 제2레버로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 압전액추에이터는 상기 밸브몸체에 설치된 고정봉과, 상기 고정봉의 중간에 고정 설치된 중간판과, 상기 중간판을 중심으로 상기 고정봉의 일측에 외삽되고 상기 고정봉의 일측 방향으로 변위를 발생시키는 적어도 하나 이상의 압전소자가 수평으로 다단 적층된 제1압전체와, 상기 중간판을 중심으로 상기 고정봉의 타측에 외삽되고 상기 고정봉의 타측 방향으로 변위를 발생시키는 적어도 하나 이상의 압전소자가 수평으로 다단 적층된 제2압전체로 구성되고, 상기 변위전달레버는 상기 제1압전체의 단부와 상기 스풀의 일단 사이에 연결되고 링크에 의한 다관절 구조로 이루어져 상기 제1압전체의 압전 운동에 따라 상기 스풀을 일방향으로 직선 운동시키는 제1레버와, 상기 제2압전체의 단부와 상기 스풀의 타단 사이에 연결되고 링크에 의한 다관절 구조로 이루어져 상기 제2압전체의 압전 운동에 따라 상기 스풀을 타방향으로 직선 운동시키는 제2레버로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 컨트롤러는 상기 전원의 전압 제어를 통해 상기 압전액추에이터의 변위량을 조절하여 상기 스풀의 이동거리를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 컨트롤러는 상기 전원의 주파수 제어를 통해 상기 압전액추에이터의 변위속도를 조절하여 상기 스풀의 이동속도를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 변위전달레버에 설치되어 상기 스풀의 위치를 감지하는 위치감지센서가 더 포함되어 상기 컨트롤러가 상기 스풀의 위치정보를 피드백 받아 상기 스풀의 이동거리와 이동속도를 결정하는 상기 전원의 전압과 주파수를 보정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의한 본 발명에 따른 압전 서보 밸브는 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 압전액추에이터가 적용됨에 따라 작동유와 플레퍼가 필요 없는 간단한 구조이고 제어도 용이하고 유체의 오염도 해소되고 열 발생도 막고 전력소모도 줄이고 고장도 줄일 수 있으므로 구조 및 경제적으로 매우 효율적이다.
그리고 압전액추에이터와 변위전달레버를 통해 스풀이 직선 운동됨에 따라 압전액추에이터의 한정된 변위로 인한 종래의 한계를 완전히 해소할 수 있으므로 압전소자의 응용영역이 크게 확대된다.
또한, 스풀의 위치를 감지하는 위치감지센서가 포함됨에 따라 인가되는 전원의 전압과 주파수에 따른 압전액추에이터의 변위량과 변위속도를 보정할 수 있으므로 동작성 및 신뢰성이 동시에 보장된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시한 모식도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 모식도.
본 발명은 밸브몸체의 내부에 구비된 유입유로와 배출유로의 사이 공간에서 유체의 통과 흐름을 단속하는 스풀의 직선 운동을 구조 및 제어가 간편하고 수리 및 교체도 용이한 압전소자를 이용한 압전액추에이터로 제어하는 압전 서보 밸브에 관한 것이다.
특히, 본 발명에 따른 압전 서보 밸브는 압전소자의 한정된 변위에 따른 스풀의 직선 운동 스트로크 한계를 보인 종래의 압전방식에 의한 서보 밸브의 문제점을 해소하여 압전소자를 실제로 서보 밸브에 적용 가능하도록 한 것이 특징이다.
이러한 특징은, 밸브몸체와 스풀과 액추에이터 및 컨트롤러로 구성되되, 액추에이터가 압전소자의 압전 운동에 따른 신축을 통해 변위를 발생시키는 압전액추에이터와, 상기 압전액추에이터에서 발생한 변위를 스풀로 전달하여 스풀을 직선 운동시키는 변위전달레버로 이루어진 구성에 의해 달성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 서보 밸브를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 서보 밸브는 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 크게 밸브몸체(10)와 스풀(20)과 압전액추에이터(30)와 변위전달레버(40) 및 컨트롤러(50)로 구성된다.
먼저, 상기 밸브몸체(10)는 유체가 내부를 따라 통과하는 것이다.
이때 밸브몸체(10)에는 유체가 유입되는 유입유로(11)와, 유입유로(11)로 유입된 유체가 배출되는 배출유로(12)가 형성된다. 단, 유입유로(11)와 배출유로(12)는 압전 서보 밸브의 제어 구조에 따라 복수 개로 구성될 수 있다.
다음으로, 상기 스풀(20)은 밸브몸체(10)의 내측에 설치되어 밸브몸체(10)의 유출유로(11)에서 배출유로(12)를 통과하는 유체의 흐름을 단속하는 것이다.
즉, 스풀(20)은 밸브몸체(10)의 내측에서 유입유로(11)와 배출유로(12) 사이 공간에 직선 운동 가능하게 설치되어 그 위치에 따라 압전 서보 밸브를 개폐시켜 유입유로(11)에서 유입된 유체가 배출유로(12)로 배출 혹은 배출되지 않게 단속한다.
다음으로, 상기 압전액추에이터(30)는 스풀(20)을 직선 운동시키기 위한 변위를 발생시키는 것이다. 즉, 압전액추에이터(30)는 밸브몸체(10)의 일측에 설치되어 외부에서 인가되는 전원에 따라 신축 변위가 발생하는 압전 운동하는 압전소자로 이루어져 신축 변위에 따른 압력을 발생시키는 것이다.
다음으로, 상기 변위전달레버(40)는 압전액추에이터(30)에서 발생한 변위를 스풀(20)로 전달하여 스풀(20)의 직선 운동을 가능하게 하는 것이다. 즉, 변위전달레버(40)는 압전액추에이터(30)의 변위를 링크와 암을 통해 스풀(20)로 전달하여 압전 서보 밸브를 개폐시키는 것이다.
여기서, 도 1과 같이 압전액추에이터(30)는 밸브몸체(10)에 설치된 고정판(31)과, 고정판(31)의 일면 일측에 설치되고 적어도 하나 이상의 압전소자(32a)가 압전 운동 방향이 동일하게 수직으로 다단 적층된 제1압전체(32)와, 고정판(31)의 일면 타측에 설치되고 적어도 하나 이상의 압전소자(33a)가 압전 운동 방향이 동일하게 수직으로 다단 적층된 제2압전체(33)로 구성될 수 있다.
즉, 제1압전체(32)와 제2압전체(33)는 고정판(31)에 일단이 지지되어 인가되는 전원에 따라 타단을 통해 고정판(31)의 반대측으로 변위가 발생하게 된다.
이때 변위전달레버(40)는 제1압전체(32)와 스풀(20)의 일단 사이에 연결되고 링크(41a)와 암(41b)에 의한 다관절 구조로 이루어진 제1레버(42)와, 제2압전체(33)와 스풀(20)의 타단을 연결하고 링크(43a)와 암(43b)에 의한 다관절 구조로 이루어진 제2레버(44)로 구성된다.
즉, 제1압전체(32)에 전원이 인가되면 제1압전체(32)에서 하방 수직으로 변위가 발생하고 이를 제1레버(42)가 링크(41a)와 암(41b)을 통해 스풀(20)의 일단으로 전달하여 스풀(20)이 일방향으로 직선 운동하게 된다. 이때 제2압전체(33)로는 전원이 차단된 상태이므로 제2레버(43)는 스풀(20)에 의해 일방향으로 견인되게 된다.
그리고 제2압전체(33)에 전원이 인가되면 제2압전체(33)에서 하방 수직으로 변위가 발생하고 이를 제2레버(44)가 링크(43a)와 암(43b)을 통해 스풀(20)의 일단으로 전달하여 스풀(20)이 타방향으로 직선 운동하게 된다. 이때 제1압전체(32)로는 전원이 차단된 상태이므로 제1레버(42)는 스풀(20)에 의해 타방향으로 견인되게 된다.
따라서 제1압전체(32) 혹은 제2압전체(33)에서 선택적으로 변위가 발생하면서 제1레버(42) 혹은 제2레버(43)에 의해 스풀(20)이 일방향 혹은 타방향으로 직선 운동하여 압전 서보 밸브를 통과하는 유체를 단속하게 된다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 압전액추에이터(30)는 밸브몸체(10)에 설치된 고정봉(34)과, 고정봉()의 중간에 고정 설치된 중간판(37)과, 중간판(37)을 기준으로 고정봉(34)의 일측에 외삽되고 적어도 하나 이상의 압전소자(35a)가 수평으로 다단 적층된 제1압전체(35)와, 중간판(37)을 기준으로 고정봉(34)의 길이방향을 따라 타측에 외삽되고 적어도 하나 이상의 압전소자(36a)가 수평으로 다단 적층된 제2압전체(36)로도 구성될 수 있다.
즉, 인가되는 전원에 따라 제1압전체(35)는 중간판(37)과 반대측인 고정봉(34)의 일측 방향으로 변위가 발생하고 제2압전체(36)는 중간판(37)는 반대측인 고정봉(34)의 타측 방향으로 변위가 발생하게 된다.
이때는 변위전달레버(40)는 제1압전체(35)와 스풀(20)의 일단 사이에 연결되고 링크(45a)와 암(45b)에 의한 다관절 구조로 이루어진 제1레버(46)와, 제2압전체(36)와 스풀(20)의 타단을 연결하고 링크(47a)와 암(47b)에 의한 다관절 구조로 이루어진 제2레버(48)로 구성된다.
즉, 제1압전체(35)에 전원이 인가되면 제1압전체(35)에서 수평 일측 방향으로 변위가 발생하고 이를 제1레버(46)가 링크(45a)와 암(45b)를 통해 스풀(20)의 일단으로 전달하여 스풀(20)이 일방향으로 직선 운동하게 된다. 이때 제2압전체(36)로는 전원이 차단된 상태이므로 제2레버(48)는 스풀(20)에 의해 일방향으로 견인되게 된다.
그리고 제2압전체(36)에 전원이 인가되면 제2압전체(36)에서 수평 타측 방향으로변위가 발생하고 이를 제2레버(48)가 링크(47a)와 암(47b)를 통해 스풀(20)의 일단으로 전달하여 스풀(20)이 타방향으로 직선 운동하게 된다. 이때 제1압전체(35)로는 전원이 차단된 상태이므로 제1레버(46)는 스풀(20)에 의해 타방향으로 견인되게 된다.
마지막으로, 상기 컨트롤러(50)는 압전액추에이터(30)에 인가되는 전원을 제어하여 스풀(20)의 위치에 따른 압전 서보 밸브의 개폐를 결정하는 것이다.
이때 컨트롤러(50)는 압전액추에이터(30)에 인가되는 전원의 전압과 주파수를 각각 제어함으로써 압전액추에이터(30)의 변위량과 변위속도를 각각 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 서보 밸브는 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 스풀(20)의 위치를 감지하는 위치감지센서(60)가 더 포함될 수 있다.
상기 위치감지센서(60)는 변위전달레버(40)를 구성하는 제1레버(42,46)와 제2레버(44,48)에 각각 설치되어 스풀(20)의 직선 운동에 따라 스풀(20)의 위치정보를 획득하여 컨트롤러(50)로 피드백하게 된다.
그러면 컨트롤러(50)는 위치감지센서(60)로부터 입력받은 스풀(20)의 위치정보를 이용하여 압전액추에이터(30)로 인가되는 전원의 전압과 주파수에 따른 압전액추에이터(30)의 변위량과 변위속도를 보정하게 된다.
따라서 컨트롤러(50)를 통해 압전액추에이터(30)에 인가되는 전원에 따른 스풀(20)의 이동거리와 이동속도를 정밀하게 제어할 수 있으므로 압전 서보 밸브의 작동성 및 신뢰성을 동시에 보장할 수 있다.
상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.
10: 밸브몸체
11: 유입유로
12: 배출유로
20: 스풀
30: 압전액추에이터
31: 고정판
32, 35: 제1압전체
32a, 33a: 압전소자
33, 36: 제2압전체
35a, 36a: 압전소자
34: 고정봉
37: 중간판
40: 변위전달레버
41a, 43a, 45a, 47a: 링크
41b, 43b, 45b, 47b: 암
42, 46: 제1레버
44, 48: 제2레버
50: 컨트롤러
60: 위치감지센서

Claims (6)

  1. 유체가 통과하는 유입유로와 배출유로가 구비된 밸브몸체;
    상기 유입유로와 배출유로의 사이 공간에서 직선 운동 가능하게 설치되어 위치에 따라 상기 유체의 통과 흐름을 단속하는 스풀;
    상기 밸브몸체에 설치된 고정판과, 상기 고정판의 일면 일측에 설치되고 적어도 하나 이상의 압전소자가 압전 운동 방향이 동일하게 수직으로 다단 적층된 제1압전체와, 상기 고정판의 일면 타측에 설치되고 적어도 하나 이상의 압전소자가 압전 운동 방향이 동일하게 수직으로 다단 적층된 제2압전체로 구성되어, 외부에서 인가되는 전원에 따라 변위를 발생시키는 압전액추에이터;
    상기 제1압전체와 상기 스풀의 일단 사이에 연결되고 링크에 의한 다관절 구조로 이루어져 상기 제1압전체의 압전 운동에 따라 상기 스풀을 일방향으로 직선운동시키는 제1레버와, 상기 제2압전체와 상기 스풀의 타단 사이에 연결되고 링크에 의한 다관절 구조로 이루어져 제2압전체의 압전 운동에 따라 상기 스풀을 타방향으로 직선 운동시키는 제2레버로 구성되어, 상기 압전액추에이터에서 발생하는 변위를 확대시켜 상기 스풀로 전달하여 상기 스풀을 직선 운동시키는 변위전달레버; 및
    상기 압전액추에이터에 인가되는 전원을 제어하여 상기 스풀의 위치를 결정하는 컨트롤러;로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 서보 밸브.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전액추에이터는
    상기 밸브몸체에 설치된 고정봉과, 상기 고정봉의 중간에 고정 설치된 중간판과, 상기 중간판을 중심으로 상기 고정봉의 일측에 외삽되고 상기 고정봉의 일측 방향으로 변위를 발생시키는 적어도 하나 이상의 압전소자가 수평으로 다단 적층된 제1압전체와, 상기 중간판을 중심으로 상기 고정봉의 타측에 외삽되고 상기 고정봉의 타측 방향으로 변위를 발생시키는 적어도 하나 이상의 압전소자가 수평으로 다단 적층된 제2압전체로 구성되고,
    상기 변위전달레버는
    상기 제1압전체의 단부와 상기 스풀의 일단 사이에 연결되고 링크에 의한 다관절 구조로 이루어져 상기 제1압전체의 압전 운동에 따라 상기 스풀을 일방향으로 직선 운동시키는 제1레버와, 상기 제2압전체의 단부와 상기 스풀의 타단 사이에 연결되고 링크에 의한 다관절 구조로 이루어져 상기 제2압전체의 압전 운동에 따라 상기 스풀을 타방향으로 직선 운동시키는 제2레버로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 서보 밸브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 전원의 전압 제어를 통해 상기 압전액추에이터의 변위량을 조절하여 상기 스풀의 이동거리를 결정하는 것을 특징으로 하는 압전 서보 밸브.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 전원의 주파수 제어를 통해 상기 압전액추에이터의 변위속도를 조절하여 상기 스풀의 이동속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 압전 서보 밸브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변위전달레버에 설치되어 상기 스풀의 위치를 감지하는 위치감지센서가 더 포함되어 상기 컨트롤러가 상기 스풀의 위치정보를 피드백 받아 상기 스풀의 이동거리와 이동속도를 결정하는 상기 전원의 전압과 주파수를 보정하는 것을 특징으로 하는 압전 서보 밸브.
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