KR20010101315A - 압전기 제어 가능한 피스톤을 구비한 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액추에이터에 관한 것으로, 슬라이딩 슬리브(1)와 상기 슬리브에서 축상 이동하는 피스톤(2)을 포함하며, 상기 피스톤은 다층 물질의 복수의 압전 섹션을 구비하고, 상기 섹션에 구비되는 제어수단은 섹션의 팽창을 위한 볼티지를 제어하여, 이들은 상기 슬라이딩 슬리브에 대하여 락킹되고 상기 슬리브의 다른 섹션으로 연장되며, 상기 팽창과 연장은 상기 슬리브 내의 피스톤의 작동 순서에 따라 상기 제어 수단이 제어한다. 본 발명의 특징은 상기 제어수단이 각각의 섹션에 상기 섹션을 줄이고 슬라이딩 슬리브 내에 락킹하는 볼트를 제공하거나 또는 상기 섹션을 상기 슬리브에 대하여 해제하여 이를 연장하는 반대의 볼트를 제공할 수 있는데, 상기 두 볼트는 상기 피스톤을 이동시키는 과정동안 상기 섹션에 연속적으로 저용될 수 있으며, 각각의 섹션은 따라서 상기 과정에서 락킹이나 연장 모두에 사용된다.

Description

압전기 제어 가능한 피스톤을 구비한 액추에이터{ACTUATOR WITH PIEZOELECTRIC CONTROLLED PISTON}

일반적으로, 공지의 브레이크 액추에이터는 매우 큰 힘에 적용할 수 있도록 한 수압 형태의 액추에이터이며, 반면에 마멸된 것에 기인된 느슨함 및 온도 변화에 대응할 수 있는 능력을 구비한 것은 현재 존재하지 않는다.

그럼에도 불구하고, 상기의 액추에이터들은 수압을 사용함으로서 기인되는 단점을 내포하고 있다, 즉, 누출의 위험 및 압력 생성을 위한 것 등의 단점이다.

본 발명의 목적은 수압 액추에이터의 단점을 내포하지 않는 액추에이터를 고안한 것이다.

이전에 고안된 액추에이터는 다른 것에 독립적으로 제어할 수 있도록 적합한 대다수의 연속적인 자기 변형 세그먼트로 구성된 피스톤을 구성한다.

본 명세서에서는, 특허 번호 US5281875, US5317223 및 US5039894와 같은 특허를 참조된다.

이러한 액추에이터는 피스톤 주변에 제공되어 지는 자계 생성 수단을 필요로 하며, 이 수단은 복잡하고, 특히 거대한 부피로 구성되어 있다.

특히, 동일한 부피에 대해서, 이들은 동일한 힘이 수압 액추에이터와 같이 생성될 수 없다.

또한, 압전기 액추에이터는 가이드 재킷 및 상기의 재킷의 축 방향으로 이동하는 데에 적합한 피스톤으로 구성된 것으로 알려져 있으며, 상기의 피스톤은 다층 압전기 물질의 다수의 연속적인 세그먼트로 구성되어 있고, 상기 액추에이터는 가이드 재킷에 관련되어 블록화된 방법에 의해서 세그먼트의 확장 및 상기 재킷 내의 다른 세그먼트를 팽창하기 위하여 상기 세그먼트에 전압을 제어하기에 적합한 제어 수단을 포함하며, 이러한 확장 및 팽창은 상기 재킷 내의 피스톤의 위치를 설정하는 시퀀스 내에서 상기 제어 수단에 의해서 제어된다.

이러한 액추에이터들은 이미 공지된 것이며, 특히 특허번호 FR2702895 및 일본 특허 JP60148389의 요약에 공지되어 있다. 이러한 액추에이터들은 기존의 방식에서는 세그먼트에 의해서 구성되어 있고, 이러한 세그먼트의 일부는 피스톤의 운동 방향의 직각 방향으로 확장되며, 반면에 다른 세그먼트들은 운동 방향으로 확장되어 있으며, 이러한 다양한 세그먼트들은 H-형 구조로 배열되어 있다.

이러한 구조들은 매우 고가이며 복잡한 형태로 명세서 상에 유지되는 것은 이해되어 지는 것이다.

본 발명은 능동 피스톤을 구비한 액추에이터에 관한 것이다.

특히, 본 발명의 유리한 응용 분야는 브레이크 액추에이터에 있으며, 특히, 다양한 분야에 적용된다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 가능한 실시 예를 포함하는 액추에이터, 특히 피스톤의 다이아그램이다.

도 3a 내지 3e는 액추에이터가 도 1에 도시된 피스톤에 동작되어지는 방법을 보인 다이아그램이다.

도 4는 전극이 본 발명의 가능한 실시 예를 구성하는 액추에이터의 피스톤에 배치되는 방법을 보인 축 부분의 다이아그램이다.

도 5는 도 4의 피스톤의 상세한 부분을 보인 단면도이다.

도 6은 그림 5의 액추에이터의 정면도의 다이아그램이다.

도 7a 내지 도 7c는 다양한 세라믹 그룹의 연결을 보인 것이다.

도 8은 본 발명의 가능한 실시 예를 구성하는 액추에이터에 대한 가이드 재킷의 단면을 보인 것이다.

본 발명은 특별하게 간단한 압전기 액추에이터 구조를 고안한다.

특히, 본 발명의 액추에이터의 제어 수단은 상기 세그먼트를 압축하고 가이드 재킷 내에 블록화며, 또한 상기 재킷에 관련된 상기 세그먼트를 릴리즈시키며 그 속에서 확장하는 전류의 극성을 변환하기 위하여 각각의 세그먼트에 전압을 인가시키기에 적합하다. 이러한 두 개의 전압은 피스톤 위치 설정 시퀀스가 진행되는 동안 상기 세그먼트에 순서적으로 인가되며, 이에 따라서 각각의 세그먼트는 블록킹 목적 및 이러한 시퀀스가 진행되는 동안에 확장 목적으로 사용되어 진다.

이러한 액추에이터 구조는 현재 수압 회로에서 존재하는 가장 높은 압력의 크기와 동일한 정도의 매우 높은 압력 (50 메가파스칼(MPa)에서 100MPa 범위)을 생성할 수 있다. 동일한 지름에 대해서, 압전기 피스톤은 수압 피스톤과 동일한 힘을 생성할 수 있다.

이러한 액추에이터는 단독으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 조합을 갖는 다음과 같은 여러 가지의 특징에 관련되어 유리하다.

- 세그먼트는 피스톤의 축에 대해서 횡적으로 확장되는 대다수의 전극을 표현하며, 금속화가 세그먼트의 모든 다른 전극에 접촉되어지는 세트백에서 피스톤의 높이의 최소한 한 부분을 따라서 최소한 한 부분의 전기적인 제어 금속화가 확장되어지며, 세그먼트의 전극은 상기 세트백에 대해서 선택적으로 오프셋되어지고, 상기 세그먼트의 전극에 접촉되어지지 않기 위하여 세트백에 관련된 오프셋이 진행되지 않는 세그먼트를 갖는 레지스터 내에서 금속화가 수행된다.

- 피스톤은 세그먼트를 받는 금속 케이스를 구비하고, 제어 금속화는 피스톤의 높이에서 확장되는 글로우브 내에서 받아진다.

- 가이드 재킷은 내부 실린더, 외부 실린더 및 중간 실린더를 포함하며, 중간 실린더의 재질은 내부 및 외부 실린더보다 더 큰 팽창 계수를 갖는다.

- 중간 실린더는 내부 표면에서 외부 표면을 향하여 나선형으로 팽창되는 슬롯을 갖는다.

- 제어 수단은 극복하기 위하여 표면으로부터 분리된 슬랫을 취하기 위하여 처음에 피스톤이 동작되는 시퀀스를 변형하는 세그먼트를 유발하기 위한 수단을 포함하며, 결과적으로 이것은 상기 표면에 대하여 힘을 적용한다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 아래와 같이 설명되는 실시 예에서 표현되어 지며 첨부된 도면에 관련되어 제한없이 설명되어 진다.

도 1 및 도 2에 도시된 액추에이터는 실린더로 구성된 가이드 재킷(1)과 상기 실린더(1)에 축 방향으로 슬라이딩이 가능한 피스톤(2)을 포함한다.

피스톤(2)은 대다수의 압전 세라믹으로 구성된다. 특히, 도 1 및 도 2에서 보여지고 아래의 설명에서 사용되는 예제에서는, "a", "b" 및 "c"로 표기된 3개의 세그먼트가 있다. 사실상 더 큰 수의 세그먼트가 직시되어진다.

여러 가지의 세그먼트가 각각에게 독립적으로 제어되어 지도록 하는 전극을 제공한다. 도 2에서, Va, Vb 및 Vc가 각각의 세그먼트 "a", "b" 및 "c"에 인가되는 제어 전압을 표현한다. 이러한 세그먼트 "a", "b" 및 "c"는 다층 세라믹 세그먼트일 수도 있거나 또는 고체 세라믹 세그먼트일 수도 있다. 다층 세라믹 세그먼트의 사용은 적은 제어 전압을 사용하는 것을 가능하게 하는 장점이 있다.

이러한 구조는 도 3a 내지 3e에서 도시된 원리에 의해서 동작된다.

브레이크 메카니즘에서 슬랙을 취하기 위하여, 물질과 물질의 압축의 팽창과 압축에 의해서 피스톤(2)이 실린더(1) 내부로 이동된

아래에 설명된 바와 같이, 각각의 세그먼트는 인가 전압이 +V인 경우에 팽창되고 얇아지며, 인가 전압이 -V인 ruddndpppp 압축되고 두꺼워진다고 가정한다. 즉, 레스트에서 피스톤(2)과 가이드 재킷(1) 사이에의 유극이 세그먼트가 가능한두꺼워지면 질수록 매우 작아지고, 위치에서 블록되어지며, 팽창될 경우 릴리즈된다고 가정한다.

도 3a에서, 피스톤(2)은 레스트에 보여진다.

도 3a에서의 두 개의 화살표는 도 3b 내지 3e에서 다시 표현되며, 피스톤(2)의 진행을 보인 것이다.

첫 번째 단계 (도 3b)에서, 전압 -V가 세그먼트 "a"에 인가되고, 반면에 전압 +V가 다른 두 개의 세그먼트 "b" 및 "c"에 인가된다.

따라서, 단지 세그먼트 "a" 만이 실린더(1)에 대해서 블록된다. 다른 두 개의 세그먼트는 팽창되어 진다.

두 번째 단계 (도 3c)에서, 세그먼트 "c"에서 전압이 역으로 인가되고, 반면에 다른 두 개의 세그먼트 "a" 및 "b" 내의 전압은 변화되지 않는다.

따라서, 세그먼트 "b"가 팽창 상태를 유지하고, 세그먼트 "c"는 초기에 채워진 위치 (도 3a)에 대해서 수행되어지는 위치에서 블록되어 진다.

세 번째 단계 (도 3d)에서, 세그먼트 "a" 및 "b"에 인가되는 제어 전압이 역으로 바뀌고, 이에 따라서 세그먼트 "b"는 초기에 채워진 위치 (도 3a)에 대해서 수행되어지는 위치에서 실린더(1)에 대해서 블록되고, 반면에 세그먼트 "a"는 가이드 재킷에 대해서 더 이상 블록되지 않는다.

마지막으로, 네 번째 단계 (도 3e)에서, 세그먼트 "a"에서의 제어 전압이 도 3a에 보여진 위치에 대해서 수행되는 전체적인 피스톤의 위치로 되돌려진다.

따라서, 이러한 네 개의 단계는 피스톤 사이에서 슬랙이 되어서 브레이크 메카니즘이 수행될 때까지 계속 반복될 수 있다.

따라서, 피스톤이 브레이크 메카니즘에서 한번 슬랙이 수행되면, 도 3b 또는 도 3e에 도시된 위치에 관련된 위치에서 안정 상태를 유지한다. 따라서, 압력은 빠르게 제어되어지고 Vb 및 Vc를 세밀하게 제어함으로서 Va는 -V와 동일하게 유지된다.

예제에 따라서, 피스톤(2)의 세그먼트는 다층 실린더가 될 수 있거나 또는 25mm의 지름 치 50mm의 두께를 갖는 디스크가 될 수 있다.

피스톤(2)은 얇은 금속 슬리이브인 케이스(E) (도 1)를 포함하는 것을 장점으로 한다.

이러한 금속 케이스(E)는 압전 세그먼트에서 발생되는 제조 내성의 문제를 해결하는 장점을 갖고 있다.

특히, 케이스(E)를 구비한 피스톤(2)은 적절한 정밀도 (25mm의 지름에 대해서 5um보다 좋은)의 바람직한 지름을 획득하기 위하여 외부적으로 다시 머신된다.

케이스(E)는 내부 지름과 동일하거나 또는 레스트에서 세라믹의 지름보다 더 작도록하기 위하여 선택되어 진다.

세라믹은 여러 가지의 세그먼트의 압축의 장점을 얻기 위하여 Va = Vb = Vc = +V로 설정함으로서 케이스(E) 내로 슬라이드된다.

변형적으로 또는 부가적으로, 케이스(E)는 사용되어지는 동안 가열됨으로서 팽창될 수 있으며, 이는 특히 케이스(E)의 두께를 피스톤(2)의 지름과 비교하여 작게되는 사실을 가능하게 한다.

또한, 케이스(E)는 마찰 계수를 최적화함으로서 표면 처리를 수행할 수 있다.

더욱이, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 피스톤(2) 내부에서 유지하기 위하여 전극 (도면에서 인용부호 3)을 생성하고 피스톤(2) 내에서 형성된 그로우브(6)를 따라서 팽창되는 금속화에 의해서 힘을 얻게된다.

이러한 그로우브(6)는 특히 피드되는 (특별하게 세그먼트 "a") 전체적인 세그먼트의 높이에 따라서 수행되는 세트백(7)을 포함하고, 이러한 세트백(7)은 내부로 확장되며 금속화(5)에서 전극(3)을 만나게 된다.

따라서, 전극(3)은 피스톤(2)의 가장 외부 표면에서 플러쉬되는 것이 아니고 도 4에 도시된 바와 같이, 피스톤(2)의 지름의 한 쪽 또는 다른 쪽으로부터 교번되는 오프셋이 된다.

도 6 및 도 7a 내지 도 7c에서 도시된 바와 같이, 그로우브(6)는 피스톤(2) 주변에서의 각도의 오프셋과 같은 방법으로 분배되는 것을 특징으로 한다.

그들 모두는 그들의 높이에서 피스톤(2)의 동일한 종단으로부터 팽창되고, 힘을 얻는 세그먼트의 세트백(7)을 갖는 레벨에서 중지된다. 그들의 금속화(5)가 힘이 되지 않는 세그먼트를 갖는 레지스터에서, 이러한 그로우브(6)들의 하단 부는 상기 금속화(5)가 전극(3)을 만나지 않도록 하기 위하여 세트백(7)의 하단 부에 대응되는 외부로 오프셋된다.

도 6에서, 두 개의 원 (5a 및 5b)은 여러 가지 형태의 금속화(5)에 대한 전원 공급회로를 표현한다.

또한, 스트레스의 높은 레벌, 즉 항공기의 브레이크 동작동안 압력이 가해지는 형태의 높은 레벨의 결과로서 브레이크의 온도가 상승된다는 것은 알려진 사실이다.

이러한 적지 않은 온도의 상승은 압전 세라믹이 분극화되어지는 것을 유발할 수 있다. 이러한 분극화가 시작되는 온도는 Curie 온도 이하인 약 100℃가 될 수 있으며, 이는 소프트 세라믹에 대해서는 약 130℃의 온도를 하드 세라믹에 대해서는 약 230℃의 온도를 제공한다.

분극화의 결점을 피하기 위하여, 전기적인 제어가 브레이크 동작 후 모든 세그먼트에 동일한 상수 전압에 적용된다. 이러한 전압은 최대 사용 전압보다 더 높을 수 있다. 이러한 효과는 온도가 높은 값에서 상온으로 떨어지는 동안 세라믹을 분극화하는 것이다.

이해한 바와 같이, 상기에서 기술된 실시 예는 피스톤(2) 및 피스톤이 레스트에서 슬라이드되는 실린더(1) 간의 기계적인 유극이 블록되어 지는 것을 유발하는 피스톤의 지름에서 증가되는 것 (상기 예제에서 약 10um)보다 다 작게 되는 것을 가정한다.

주어진 온도 (즉, 상온)에서 유극을 수 um로 조절하는 것이 가능하다.

그러나, 이러한 유극이 브레이크에서 발생될 수 있는 -60℃에서 +200℃의 범위를 포함하는 행정 온도에 대해서 보존되는 것은 어렵다. 이것은 피스톤(2)과 서로 다른 열 팽창 계수를 갖는 실린더(1)사이의 차별적인 팽창에 기인한 것이다.

고 정밀도 편성이 필요하다. 불행하게도, 피스톤을 위해서 사용되는 압전 세라믹은 매우 작거나 또는 음수인 팽창 계수를 갖는 것으로 판명된다. 따라서, 정확하게 맞는 계수를 갖는 실린더를 위한 물질을 찾는 것은 쉽지 않으며, 특히 실린더는 기계적인 강도, 기구적인 특성 등과 같은 다른 특성을 갖는 것을 요구하기 때문이다.

도 8에 도시된 가이드 재킷 또는 실린더 구조는 기존의 물질을 사용하여 스테이지를 설계하는 데에 적합한 것을 얻을 수 있고 조절할 수 있는 것을 가능하도록 한 것이다. 이러한 디바이스는 동축으로 세 개의 물질을 조합하여 구성된 것이다.

이것은 피스톤(2)이 슬라이드되는 내부 실린더(8), 외부 실린더(9)와, 내부 실린더(8) 및 외부 실린더(9) 사이에 확장되는 중간 실린더(10)를 포함한다.

실린더(9)는 실린더(8)를 압축 응력을 주며, 그들을 클래핑함으로서 중간 실린더(10)가 된다.

중간 실린더(10)는 내부 실린더(8)의 생성기 라인으로부터 확장되는 나선형의 슬롯(11)을 구비한다. 이러한 슬롯(11)은 내부 실린더(8)의 외부 표면에 인접될 수 있도록 깊으며, 가능한 개방되어 있다.

실린더 (8 및 9)의 물질은 낮은 팽창 계수를 갖도록 선택되어 지며, 그러나 피스톤의 팽창 계수보다 수치적으로 더 크다.

중간 실린더(10)의 물질은 더 큰 팽창 계수를 갖도록 선택되어 진다.

온도가 상승될 때, 실린더(10)는 나선형으로 팽창되나, 수행되는 것보다 더 작게 팽창되는 실린더(9)에 의해서 다소의 범위에서 수행되어 지는 것을 막아준다.

결론적으로, 불가능한 외부 팽창은 나선형으로 압축된 실린더(8)에 전환되어 진다. 슬롯(11)은 실린더(10)가 내부적으로 팽창되는 것을 방지하기 위하여 형성되는 정 나선형 스트레스를 방지하는 중요한 역할을 수행한다. 슬롯(11)이 실린더(8)를 물결모양이 되지 않도록 하기 위하여, 상기 슬롯의 폭을 상기 실린더(8)의 두께보다 작도록 선택한다. 실린더(10)의 팽창되는 실린더(9)를 억제하고, 실린더(9)가 압축될 때, 실린더(8)에 압력을 가하다. 실린더(8 및 9)의 적절한 변형은 그들의 견고함의 역에 비례하여 공유되어 진다. 더욱 두껍고 더욱 견고한 실린더(9), 더욱 큰 압축이 실린더(8)에 적용되어 진다.

결론적으로, 실린더(8)의 내부 팽창 계수는 실린더(9)의 두께에 작용함으로서 조절된다. 따라서, 외부의 머신닝이 내부 팽창 계수의 최종적인 조절을 위한 수단을 구성하며, 이러한 계수는 더욱 큰 수치 값으로 변형될 수 있는 것을 알 수 있다.

원래, 상기의 설명에서 사용된 용어 "실린더"는 폭 넓게 이해되어야 한다. 일반적으로 이것은 공통 인접 표면에 놓여 있는 평행 생성기 라인의 세트에 의해서 정의된 어떠한 형태를 포함한다.

상기에서 기술한 액추에이터는 브레이크 캘리퍼를 조정하는 데에 유리하게 사용되며, 더욱 특이하게 항공기 브레이크의 캘리퍼를 조정하는 데에 사용된다.

Claims (7)

1. 가이드 재킷과 상기 재킷 내에 축방향으로 이동하는 적합한 피스톤으로 구성되어 있고, 상기 피스톤은 다층 압전 물질의 대다수의 연속적인 물질을 포함하며, 상기 액추에이터는 가이드 재킷과 관련되어 블록되는 동일한 방법으로 팽창되는 세그먼트를 유발하고 또한 상기 재킷 내에서 다른 세그먼트를 압축하기 위하여 상기 세그먼트에 제어 전압을 인가하기 위한 제어 수단을 포함하고, 이러한 팽창 및 압축은 상기 제어 수단에 의해서 상기 재킷 내에 피스톤의 위치를 설정하는 시퀀스로 제어되며, 상기 세그먼트를 압축하고 가이드 재킷 내에서 블록하기 위하여 각각의 세그먼트에 인가되는 전압 및 상기 재킷에 관련된 상기 세그먼트를 릴리즈하고 그 안에서 압축하는 역 전압을 인가하기 적합한 제어 수단, 또한 이러한 두 개의 전압은 피스톤 위치 시퀀스 동작동안 상기 세그먼트에 연속적으로 인가되고, 따라서 각각의 세그먼트는 블록킹 목적 및 이러한 시퀀스 동안 압축 목적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 세그먼트는 피스톤의 축에 대해서 횡적으로 확장되는 대다수의 전극을 표현하며, 금속화가 세그먼트의 모든 다른 전극에 접촉되어지는 세트백에서 피스톤의 높이의 최소한 한 부분을 따라서 최소한 한 부분의 전기적인 제어 금속화가 확장되어지며, 세그먼트의 전극은 상기 세트백에 대해서 선택적으로 오프셋되어지고, 상기 세그먼트의 전극에 접촉되어지지 않기 위하여 세트백에 관련된 오프셋이 진행되지 않는 세그먼트를 갖는 레지스터 내에서 금속화가 수행되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
3. 제 2 항에 있어서, 피스톤은 세그먼트를 받는 금속 케이스를 구비하고, 제어 금속화는 피스톤의 높이에서 확장되는 글로우브 내에서 받아지는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
4. 상기의 임의의 청구항에 있어서, 가이드 재킷은 내부 실린더, 외부 실린더 및 중간 실린더를 포함하며, 중간 실린더의 재질은 내부 및 외부 실린더보다 더 큰 팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
5. 제 4 항에 있어서, 중간 실린더는 내부 표면에서 외부 표면을 향하여 나선형으로 팽창되는 슬롯을 갖는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
6. 제 1 항에 있어서, 제어 수단은 극복하기 위하여 표면으로부터 분리된 슬랫을 취하기 위하여 처음에 피스톤이 동작되는 시퀀스를 변형하는 세그먼트를 유발하기 위한 수단을 포함하며, 결과적으로 이것은 상기 표면에 대하여 힘을 적용하는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
7. 상기의 임의의 청구항에 따른 액추에이터에 의해서 구성되는 것을 특징으로하는 브레이크 액추에이터.