KR102606975B1 - 나사형 로드를 구비하는 전기 액추에이터 - Google Patents

Abstract

동력 수단에 의해 회전하도록 작동되는 나사형 로드를 구비하는 전기 액추에이터로서, 상기 나사형 로드는 나사부들(3, 4)로써 각각의 측방으로 연장된 구동부(10)를 구비하며, 상기 나사부들 중 하나는 고정 너트와 함께 작동하며, 상기 나사부들 중 다른 하나는 상기 나사부의 축과 평행한 축을 따라 병진 이동 가능한 제어 부재에 고정된 너트와 함께 작동하고, 상기 나사형 로드는 나선 운동하도록 이동한다.

Description

나사형 로드를 구비하는 전기 액추에이터{ELECTRIC ACTUATOR WITH THREADED ROD}

본 발명은 선형 운동을 회전 운동으로 변환함으로써 부재의 각운동을 수반하며 제한된 구간에 걸쳐 구동 부재를 이동시키도록 구성된 선형 전기 액추에이터 분야에 관한 것이다.

이러한 선형 전기 액추에이터들은 (유입 공기 흐름, 조정 가능한 서스펜션에서 유체의 흐름의 조절; 윈드스크린에서 헤드-업 디스플레이 또는 전방 헤드라이트의 이동성, 등) 운전자의 편안함을 개선하는 구성 요소들을 이동시키거나 엔진에 이용되는 유체 밸브들을 제어하는 자동차 분야에서 일반적으로 사용된다.

그러한 액추에이터들의 일반적인 원리는 예를 들어 국제 특허 출원 WO 2010/027701에서 개시되고 설명된다. 이러한 특허출원에서는 하나의 모터만을 구비하는 시스템에 의하는 것보다 더 큰 힘으로 스크류를 병진 운동시키도록 반대 방향으로 회전하는 모터들에 의해 연결되는 서로 반대의 나사산을 가지는 두 개의 나사부들을 구비하는 스크류를 가지는 액추에이터가 설명된다. 서로 반대의 나사산들은 두 개의 모터들에 의해 스크류에 인가되는 결과적인 토크를 상쇄시킨다.

또 다른 특허 출원 WO 2013/027197에서는 고정자와 회전자를 가지는 전기 모터와, 하우징과, 적어도 회전자의 회전 축에 대응하는 A 방향으로 병진하여 이동하도록 부재를 이동시키는 너트-앤-스크류(nut-and-screw) 시스템을 포함하는 전기 선형 액추에이터가 설명된다. 너트-앤-스크류 시스템은 제1 나사부 및 제1 나사부와 체결된 상보적인 나사산을 가지는 제1 너트를 구비한다. 제1 너트는 회전자와 회전하도록 결합된다. 스크류는 제2 나사부를 포함하며, 너트-앤-스크류 시스템은 제2 나사부와 체결되는 제2 너트를 구비하고, 제2 나사부와 제2 너트는 (제1 나사부와 제1 너트로 인한 선형 운동에 대하여) 스크류의 선형 운동에 감소 요인(reduction factor)을 인가하도록 구성되며, 제1 및 제2 나사부는 서로에 대해 반대 방향인 나사산들을 구비한다.

일 실시예에서, 제1 나사부는 제2 나사부와 인접하다.

유럽 특허 EP 1561639에서는 먼지, 수분 및 염분을 견디며, 특히 -40℃ 내지 +120℃ 범위의 온도의 극한 환경 조건 하에서도 고성능인 차량 헤드라이트들의 수평 또는 수직 위치를 조정하도록 구성된 액추에이터가 설명된다.

유럽 특허 EP 1791242에서는 하우징, 모터 및 너트-앤-스크류 시스템을 포함하는, 제어될 부재의 선형 운동을 위한 액추에이터가 설명된다. 모터는, 스텝 모터(stepping motor)인 것이 바람직하며, 코일을 포함하는 고정자와 영구 자석을 포함하는 회전자를 구비하고, 회전자는 하우징에 고정된 레이스와 회전자에 고정된 출력 레이스(output race)를 포함하는, 볼 베어링의 형태인 베어링에 의해, 그 단부들 중 한 곳에서 지지된다.

국제 특허 출원 WO 03048599에서는 공통된 축을 가지며(coaxial) 두 개로 분리된 스크류 나사산들과 상호작용하는 너트 부재와, 너트 부재의 스크류 나사산들에 대응하는 상이한 나사산을 각각 구비하는 두 개의 스크류들을 포함하는 스크류 액추에이터가 설명된다.

많은 적용예들에서, 액추에이터들은 성능의 심각한 손실 없이 대체로 -40℃내지 +140℃의 매우 넓은 온도 범위를 부과하는 자동차 분야의 작동 조건들을 따라야 한다.

종래 기술의 전기 선형 액추에이터들은 거의 대다수의 경우 종국에 병진 운동을 발생시키기 위하여 운동 변환부에 결합되는 회전식 모터로 구성된다. 단순한 해결수단은 베어링 또는 롤러 베어링상에서 회전하도록 장착된 회전자를 사용하는 것이며, 상기 회전자는 제어 부재의 병진운동을 생성하는 스크류 시스템 및 너트를 구동한다.

이러한 해결수단은 극한 환경에서의 신뢰성 및 조밀성에 대한 수많은 이점들을 가지지만, 베어링 하우징과 볼 베어링에서 사용되는 그리스(grease)의 점성 변화로 인해 (-20℃ 내지 -40℃의) 매우 낮은 온도에서 사용될 경우 이러한 액추에이터들의 성능이 심각하게 저하되는 것으로 판명되었다.

이러한 문제점은, +20℃ 내지 +140℃에서 유체로 유지되어 정확하게 윤활처리하는 그리스 또는 -40℃ 내지 +25℃에서 유지되는 다른 종류들을 찾는 것이 가능하지만, -40℃ 내지 +140℃ 범위의 전체에 걸쳐 (베어링에 손상을 일으키는) 점성의 큰 변화 없고 (박막의 손상 없이 가압하는 저항성인) 윤활 기능을 충족시키는 것을 가능케 하는 그리스만이 실리콘을 기반으로 하는 드문 합성물들에 제한되는 점에서 해결하기 복잡하다.

하지만, 실리콘 부재는 가장자리 부재들의 오염 및 탈기(degassing)의 효과로 인해 대다수의 차량 적용에 금지된다.

결과적으로 베어링을 심각하게 손상시키는 그리스의 큰 점성으로 인한 추울 때의 성능 저하 없이, 제품의 사용 기한을 보장하는데 요구되는 윤활 처리를 제공하고, -40℃ 내지 +140℃에서 작동하는 차량용 선형 액추에이터를 제공함에 있어서 현실적인 문제점이 있다. 종래 기술의 선형 액추에이터들의 대다수는 최근 스크류 시스템과 너트와 회전식 모터의 조합에 기반을 두고 있다. 이들은 25℃ 내지 -40℃를 지날 때 그들의 힘의 절반이 넘는 힘을 잃는다. 이러한 손실을 보상하고 사용자에 의해 기대되는 사양을 달성하기 위하여 모터를 대형화하는데 이르고 있다.

본 발명에 따라 제안되는 해결수단은 볼 베어링 또는 평 베어링들과 같은 회전자의 회전 유도를 위한 부재를 제거함으로써 이러한 선형 액추에이터들의 구조를 단순화시키고, 저온에서의 성능을 상당히 증가시키는 나선형 연결에 의해 회전자 조립체를 직접 유도하도록 구성된다.

이를 위하여, 가장 일반적인 관점에 따른, 본 발명은 동력 수단에 의해 회전하도록 작동되는 나사형 로드를 구비하는 전기 액추에이터로서, 상기 나사형 로드는 나사부들이 양측에 연장된 구동부를 구비하며, 상기 나사부들 중 하나는 고정 너트와 함께 작동하며, 상기 나사부들 중 다른 하나는 상기 나사부의 축과 평행한 축을 따라 병진 이동 가능한 제어 부재에 고정된 너트와 함께 작동하고, 상기 나사형 로드는 나선 운동하도록 이동하는 것을 특징으로 하는 전기 액추에이터와 관련된다.

제1 변형예에 따르면, 상기 동력 수단은 상기 구동부에 기계적으로 연결되고, 영구 자석으로 제공되는 회전자와 전자기적으로 상호작용하는 고정자로 구성된다.

바람직하게는, 상기 자석은 제어 부재를 구동하는 나사형 샤프트에 몰딩된다.

제2 변형예에 따르면, 상기 동력 수단은 상기 구동부를 구성하는 기어를 구동시키는 웜기어로 구성된다.

바람직하게는, 제어 부재는 전기 모터에 의해 제어되는 그것의 운동에 대해 제어 부재의 선형 위치의 수동 조정을 독립적으로 허용하는 다양한 각도 위치들을 가지는, 플랜지와 슬라이딩 연결된다.

본 발명은 비제한적이고 예시적인 실시예들에 대응하는 첨부되는 도면들을 참조하여, 이하의 설명을 보면서 분명하게 이해될 것이다.
도 1은 제1 실시예의 종단면도이다.
도 2는 제2 실시예의 종단면도이다.
도 3은 제3 실시예의 종단면도이다.
도 4는 제4 실시예의 종단면도이다.

본 발명은, 네 개의 실시예들에 따른 비제한적인 예들로 설명되며, 회전식 레버(lever)에 결합된 본 발명에 따른 선형 액추에이터를 구비하는 회전식 액추에이터 또는 더 많은 감소를 각각 제공하기 위한 상방 또는 하방 운동 변환의 조합 또는 상술한 바와 같은 단순 선형 액추에이터를 사용하는 것을 가능케 한다.

도 1에 도시된 제1 실시예에 대응하는 해결 수단에 따른 전기 액추에이터는, 다상(multiphase) 고정자(1)와, 다수의 자석(2)을 구비하는 회전자와, 두 개의 분리된 나사부들(3, 4)을 가지는 샤프트(shaft)와, 고정자(1)에 대해 고정되며 고정자(1)에 연결된 제1 고정 너트(6)를 포함하는 제1 플랜지(5)와, 고정자(1)에 대해 고정되는 제2 플랜지(7)와, 슬라이드 연결에 의해 제2 플랜지(7)에서 회전 없이 병진 운동 가능한, 제2 너트(9)를 구비하는 제어 부재(8)를 포함한다.

고정자(1)와 회전식 회전자(2)에 의해 형성된 전자기 조립체는, 병진하는 구성요소를 위한 제1 고정 너트(6)와 회전자 조립체의 제1 나사부(4) 사이의 연결부 및, 회전하는 구성요소를 위한 회전자(2)의 회전에 의해 부과되는 나선 운동으로 나사형 샤프트의 중심부(10)를 구동한다.

나사형 샤프트의 나선 운동은 제어 부재(8)에 고정된 제2 너트(9)와 나사형 로드의 제2 나사부(3) 사이의 연결을 통해 순수한 병진 운동으로 제어 부재(8)를 구동시킨다.

이러한 해결수단은 다양한 이점들을 가진다:

첫 번째 이점은 존재하는 시스템들과 비교하여 나사형 중심 샤프트에서 임의의 회동식 연결을 제거하는 것이다. 이러한 볼 베어링 또는 회전식 베어링의 제거는 그리스의 점성의 증가와 관련된 토크의 손실을 방지한다.

회전 운동의 선형 운동으로의 변환 효율은 단일 너트에 결합된 스크류의 종래 해결 수단의 변환 효율과 동일하다. 이로써, (상술한) 가이드들에서 토크의 이득은 선형 제어 부재의 출력으로 이용 가능한 동력 면에서 완전히 보존된다.

중심 샤프트의 두 나사부들이 각각 맞은편 방향으로 동일한 피치(pitch)를 가지는 경우, 출력 부재의 운동은 회전자 조립체의 그것의 두 배이며, 이는 고정자에서 동일한 진동수로 출력 부재의 운동 속도를 증가시킬 수 있다. 이는 제조상 어려움의 이유로 스크류의 피치가 더 이상 증가될 수 없을 경우에 유리하다.

액추에이터의 구조는 매우 단순하며, 구성요소들의 갯수는 상당히 감소되고, 이는 제품 조립 시간뿐만 아니라 구성요소들의 비용과 조립 기계의 비용을 절감하는 이점을 가진다.

차원적인 관점에서, 중심 샤프트는 두 개의 나사부들(3, 4)를 구비하며 출력 부재(8)를 전방으로 이동시키도록 두 개의 너트들(6, 9)과 함께 동작한다. 이로 인해, 운동 변환 기능을 위해 점유되는 그것의 길이는 회전식 너트에 의해 구동되는 종래의 단순한 스크류의 그것보다 조금 더 크다. 하지만, 실제로 이는 회전자 가이드들의 제거에 의해 (차량에서 요구되는 가장 일반적인 이동 구간(travel)으로 약 10mm) 보상된다. 따라서, 선형 액추에이터의 전체 크기는 헤드라이트들의 이동성 또는 공기 측정의 적용에 사용되는, 작은 이동 구간과 동등하다.

결국, 종래 기술의 해결 수단들에서 축방향 힘을 흡수하기 위해 필요한 볼 베어링의 제거에 의해 질량이 크게 감소되며, 해결 수단은 중심 샤프트를 이동시키는 플라스틱 너트의 사용하는 경우 그것의 완전한 이점을 가진다. 이로써, 금속 부품들은 플라스틱 너트들과 기능하기 위한 양호한 트리볼로지(tribology)를 가지는 중심 샤프트와, 고정자의 자석 시트들에서만, 최소치로 감소될 수 있다.

이러한 제1 실시예에 대응하는 선형 액추에이터는, 고정자에 클램핑된 후방 플랜지에 연결된 제1 너트와 체결되는 후방 제1 나사부 및, 제2 너트를 구비하는 출력 부재와 체결되는 제2 나사부를 가지는 샤프트의 중심 구역(10)상에 공통된 축을 가지도록 고정된 다수의 자석을 구비하는 회전자 조립체를 구동하는 2상의(two-phase) 고정자를 포함한다. 고정자에 고정된 전방 플랜지는 출력 부재가 회전자 조립체의 나선 운동에 의해 부과되는 병진을 따르게 할 수 있는 슬라이딩 연결을 가진다.

제어 부재 단부의 니들(needle)은 10 mm의 이동 구간을 거쳐 이동하며, 이는 후방 플랜지에 연결된 고정 너트에 대하여 회전자 조립체의 5mm 이동에 추가된 회전자 조립체에 대한 5mm의 상대적인 이동으로 나뉠 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 자석의 길이는 고정자의 길이에 대하여 5mm 연장되며, 이는 회전자의 축방향 운동에도 불구하고 고정자에 의해 인가되는 토크를 회전자에 보존하는 것을 가능케 한다.

또한, 제어 부재는 중심 샤프트가 그것의 상대적인 이동 구간을 이루도록 5mm로 관통하게 하기 위하여 제2 너트와 열을 이루는(in line) 오목부를 구비한다.

회전자 조립체는 교차하는 두 개의 나선 연결에 의해서만 유도되며, 출력 부재와 전방 플랜지 사이의 슬라이딩 연결은 고정된 기준만큼 먼 유도를 완료한다. 회전자가 일 회전하는 경우, 그것은 고정 너트의 피치와 동등한 값으로 진행하는 반면, 제어 부재는 고정 너트 및 이동 너트의 피치들의 합계와 동일한 값으로 진행한다. 두 개의 나사부들이 동일한 피치이지만 서로 반대 방향을 가지는 경우, 제어 부재의 분명한 피치는 스크류 피치의 두 배에 대응한다. 이러한 종류의 설계는 상당히 감소된 질량과 우수한 긴밀성을 요구하는 액추에이터들의 경우에 바람직하다. 종래 기술의 해결 수단들의 경우와 같이, 이동 감소의 상부에서의 높은 수준의 기생 마찰(parasitic friction)에 의해 토크가 감소되지 않으므로, 페라이트(ferrites)와 같은 저가의 자석으로부터 얻어지는 저가, 저온 성능에서 액추에이터를 제공하는 것이 가능하다.

도 2에 도시된 제2 실시예에서, 앞서 도시된 바와 같은 선형 액추에이터는 회전식 액추에이터를 형성하기 위하여 회전식 레버(20)가 연결된다. 선형 회전 운동 변환은 나선 운동을 통해 이동하고 스크류/너트 연결들의 제한된 유도로부터 이득을 얻는 회전자 조립체에 의해 달성된다. 이러한 첫번째 단계는 제한된 공간에서 높은 이동 감소를 가지는 것을 가능케 하며, 또한 축방향 힘을 흡수하는 금속 스크류는 캐리지(carriage)의 배치의 우수한 정밀도를 달성하는 것을 가능케 하는 우수한 강성을 가진다. 이때, 이러한 캐리지는 단순하고 저렴한 해결 수단으로, 배치의 우수한 정밀도뿐만 아니라 높은 토크를 제공하지만, 제한된 각도를 형성하는 회전식 레버(21)로 그것의 운동을 전달한다.

결국, 이러한 액추에이터는, 마모를 생성하게 되는 금속/금속 마찰로 인해 차량의 요구되는 사용 기간을 달성할 수 없는, 스프링을 통한 볼의 원뿔 형상을 가지는 압력 가이드들, 또는 추울 때 손상되는 볼 베어링들에 의하는 스크류 또는 회전자에 의한 유도에 기반을 두는 기존의 해결 수단들과 비교하여, 상대적으로 안정적인 성능을 가진다.

도 3에 도시된 제3 실시예는 본 명세서에서 언급된 나선형 단일 운동 변환과 전기 구동 모터간 기어박스의 사용을 통한 앞선 두 실시예들과 구분되는 선형 액추에이터에 관한 것이다.

다상 모터는 두 개의 분리된 나사부들(4, 6)을 구비하는 샤프트의 중앙 구역(10)에서 공통된 축을 이루고 고정되도록 장착되며, 기어(31)를 구동하고, 웜기어(worm)(30)가 내장되는, 회전자를 구동한다. 구동하는 회전자가 웜기어(30)를 통해 기어(31)를 회전시키는 경우, 하우징에 대해 고정된 제1 너트는 기어(30)와 샤프트에 의해 형성된 조립체가 나선 운동을 따르게 할 수 있으며, 출력 부재의 후방에 배치된 제2 너트의 두번째 나선 연결에 의해 출력 부재를 구동한다. 그 회전이 조정 허브에 의해 차단되는 전방 플랜지에서, 출력 부재의 슬라이딩 연결은 이러한 출력 부재의 순수한 병진을 제공한다.

조정 허브는 전방 플랜지의 각도 위치를 수정하는 것을 가능케 하는 원뿔 형상의 티스(teeth) 세트를 구비한다. 전방 플랜지의 이러한 회전은, 모터가 멈추고 웜기어가 중심 샤프트의 회전을 차단할 때, 중심 축 이전에 나사부에 고정된 출력 부재의 회전을 부과한다. 이러한 해결 수단은 모터의 회전에 의해 결정될, 소위 전기 이동 구간(electrical travel)과 독립적인 출력 부재의 선형 예비 위치를 이루는 것을 가능케 한다. 따라서, 이러한 액추에이터는 모터 제어에 의해 부과되는 전기 이동 구간과 평행한 기계적 수동 예비 조정 이동 구간을 가진다. 이러한 종류의 해결 수단은 차량의 전방 헤드라이트들의 높이를 조정하기 위한 액추에이터들에 특히 사용되며, 이는 차량의 최종 조립 시 공장에서 수동적으로 조정되고, 다른 운전자들을 눈부시게 하는 것을 방지하기 위하여, 차량들은 그 가속 또는 차량의 하중과 라이트들의 높이의 자동 조정을 제공한다.

두 개의 나사부들 중 하나가 고정자에 연결된 고정 너트와 함께 동작하고, 제2 나사부가 슬라이딩 연결을 통해 전방 플랜지에서 병진할 수 있으며 너트를 구비하는 출력 부재와 함께 동작하는 두 개의 나사부들을 가지는 중심 샤프트에 몰딩된 자석을 구비하는 단순 회전자 조립체의 연결에 기반을 두는 점에서 제1 실시예와 유사한 실시예가 도 4에 도시된다. 하지만, 본 실시예에서, 나선 각도들은 동일한 방향이고, 두 개의 나사부들의 피치들만이 상이하다. 회전자의 나선 운동은 고정 너트와의 연결에 의해 부과되며, 이로써 두 개의 스크류 피치들의 상대적인 값에 따라 출력 부재의 외측 방향으로의 운동 또는 복귀 운동을 야기하지만, 힘의 비율은 낮아질 수도 있다.

이는, 제1 나사부가 피치 p1을 가지고 제2 나사부가 피치 p2를 가질 경우, 회전자의 일회전을 위한 출력 부재의 운동은 p2-p1일 것인 점에 기인한다. 이로써, 운동을 상당히 감소시켜 제1 실시예와 비교하여 제어 부재의 출력 힘을 증폭시키도록, 유사한 피치 값들로 작동시킴으로써, 확률을 증가시킨다.

또한, 이러한 경우, (피치들에서의 차이만이 힘 비율을 규정하며) 상대적으로 높은 나선 각도로 동작하는 것이 가능하지만, 이로써 실질적으로 증가된 나선 각도가 회전으로부터 병진으로의 변환 효율을 증가시키고 모터 크기의 최적화를 이룬다. 그것은, 자동온도조절식(thermostatic) 밸브들에서 유체를 배분하는 것과 같이, 낮은 이동 구간을 위하여 저온에서 높은 추력(thrust)을 가지는 액추에이터를 가능케 하도록, 차동 나사들(differential threads)을 구비하는 스크류의 개념을 갖는 제1 실시예에 따른 해결 수단을 조합하는 경우이다.

본 발명은 나선 운동이 출력 부재의 병진을 생성하며 두 개의 나사부들을 구비하는 샤프트를 포함하는 선형 액추에이터의 다양한 설계들을 포함한다. 이러한 설계들은 이하의 내용을 특징으로 한다:

- 제어 부재는 액추에이터의 하우징과 슬라이딩 연결된다.

- 제어 부재의 선형 운동을 일으키는 이동 가능한 조립체는 두 개의 나선 연결을 통해서만 유도된다.

- 비제한적인 예들로써 설명된 두 개의 제1 실시예들에 관하여 모터 자석이 나선 운동으로 구동된다. 자석은 제어 부재를 구동시키는 나사부상에 몰딩된다.

- 설명된 제3 실시예에 관하여 나선 운동에 있어서 중심 나사형 샤프트는 기어류와 웜기어의 기어 박스에 의해 구동된다. 제어 부재는, 전기 모터에 의해 제어되는 그것의 운동에 대해 독립적으로 제어 부재의 선형 위치의 수동적인 조정을 허용하는 다양한 각도 위치들을 가지는, 플랜지와 슬라이딩 연결된다.

Claims (5)

1. 동력 수단에 의해 회전하도록 작동되는 나사형 로드를 구비하는 전기 액추에이터로서,
   상기 나사형 로드는 2개의 나사부들(3, 4)이 양측에 연장된 구동부(10)를 구비하며, 상기 나사부들 중 하나는 고정 너트와 함께 작동하며, 상기 나사부들 중 다른 하나는 상기 나사부의 축과 평행한 축을 따라 병진 이동 가능한 제어 부재에 고정된 너트와 함께 작동하고, 상기 나사형 로드는 나선 운동하도록 이동하며,
   상기 동력 수단은 상기 구동부(10)를 구성하는 기어(31)를 구동시키는 웜기어(30)로 구성되고,
   상기 웜기어(30)에 의해 구동되는 기어(31)는 상기 구동부(10)와 동축으로 고정되며,
   상기 2개의 나사부들(3, 4)은 서로 반대 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 전기 액추에이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 동력 수단은, 상기 구동부에 기계적으로 연결되고, 영구 자석으로 제공되는 회전자와 전자기적으로 상호작용하는 고정자로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 액추에이터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 자석은 제어 부재를 구동시키는 나사형 로드에 몰딩되는 것을 특징으로 하는 전기 액추에이터.
4. 제1항에 있어서,
   제어 부재는, 전기 모터에 의해 제어되는 제어 부재의 운동에 대해 제어 부재의 선형 위치의 수동 조정을 독립적으로 허용하는 다양한 각도 위치들을 가지는, 플랜지와 슬라이딩 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 액추에이터.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 2개의 나사부들(3, 4)의 피치들은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전기 액추에이터.