KR200183004Y1 - 전왜형 전기-유압 서보밸브 - Google Patents

전왜형 전기-유압 서보밸브 Download PDF

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KR200183004Y1 KR2019960048980U KR19960048980U KR200183004Y1 KR 200183004 Y1 KR200183004 Y1 KR 200183004Y1 KR 2019960048980 U KR2019960048980 U KR 2019960048980U KR 19960048980 U KR19960048980 U KR 19960048980U KR 200183004 Y1 KR200183004 Y1 KR 200183004Y1
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Abstract

본 고안은 전왜 진동자를 구동용 진동자로 사용하여 구동 특성 및 정밀도를 향상시킨 전왜형 전기-유압 서보밸브의 제공에 관한 것이다.
본 고안에 따른 서보밸브는 금속 탄성체(11a)(11b)와, 상기 금속 탄성체(11a)(11b)의 하부에 각각의 분극방향을 상호 반대로 하여 적층된 복수의 전왜 소자(12)들과, 상기 적층된 전왜 소자(12)들의 하단에 연결설치된 T형 금속 탄성체(11c)와, 상기 T형 금속 탄성체(11c)의 수직부 측면에서 부착된 전왜 소자(12)들과, 상기 T형 금속 탄성체(11c)의 하단에 연결설치된 원뿔형 금속 탄성체(11d) 및 금속 볼(13)로 이루어진 전왜 진동자(10)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 전왜 진동자를 그 구동용 진동자로 사용함으로써 본 고안은 코일, 영구자석 등을 필요로 하는 종전의 서보밸브보다 훨씬 더 소형이면서 월등히 빠른 응답특성 및 저 소비전력특성을 지닌 서보밸브를 구성제공할 수 있다.

Description

전왜형 전기-유압 서보밸브
본 고안은 전왜 재료의 소자를 이용한 전왜형 전기-유압 서보밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전왜 진동자를 유압 서보밸브 구동용 진동자로 사용하여 유압 서보장치의 구동 특성 및 정밀도를 향상시킨 것에 관한 것이다.
최근, 유량 및 유압의 전자적인 제어의 필요성이 증대함에 따라 각종 전기-유압 서보밸브가 개발되어 유압을 이용한 항공기 및 자동차, 그리고 포크레인, 트럭, 선박 등의 각종 동력 전달원 기기들에 사용되고 있다. 이러한 전기-유압 서보밸브 중 정밀 위치 제어용으로 사용되는 서보밸브의 경우 그 구동 진동자로서는 전자석을 이용한 노즐플래퍼(nozzle flapper)형과 직접 구동형인 무빙코일(moving coil)형이 주종을 이루고 있다.
그러나 상기한 전자기력을 이용하여 구동되는 노즐플래퍼형 및 무빙코일형 진동자를 서보밸브의 구동 진동자로 채용할 경우 구동부가 복잡하게 되어 소형화를 이룰 수 없고, 인가 전기에 의해 자기적 힘이 발생하고 이를 다시 기계적 변위로 변경하므로 빠른 응답 속도를 얻을 수 없다. 또한 대용량의 출력을 필요로 하는 경우 서보밸브의 구동부인 진동자의 크기가 필요 이상으로 커지고, 크기를 줄일 경우 출력 파워가 현격하게 줄어드는 단점이 있다. 그리고 단순한 바이몰프(bimorph)형 전왜 진동자만을 구동 진동자로 이용한 노즐플래퍼형 서보밸브의 경우 대용량의 출력 파워를 얻기에는 다소 부족하다.
따라서, 본 고안은 변위 특성 및 발생력 특성이 우수한 적층형 및 바이몰프형 조합 전왜 진동자를 구동부로 하여 상술한 종래의 문제점을 효과있게 해소할 수 있는 전기-유압 서보밸브를 제공하고자 하는 데에 그 목적이 있다.
제1도는 본 고안에 따른 전왜형 전기-유압 서보밸브(SERVO VALVE)의 구성개요도.
제2(a)도, 제2(b)도는 본 고안의 전왜형 전기-유압 서보밸브에 사용한 전왜 진동자의 구성개요도.
제3도는 종래의 기술에 따른 전자석식 서보밸브의 구성개요도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 서보밸브 구동용 전왜 진동자 11a,11b,11c,11d : 금속 탄성체
12 : 전왜 소자 13 : 금속 볼
14 : 영구자석 15 : 코일
20 : 노즐부 30 : 스풀부
40 : 유체 통로 50 : 외부 케이스
60 : 전원
이하에서, 본 고안을 첨부도면에 예시된 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명한다.
제1도는 본 고안의 전왜형 전기-유압 서보밸브의 한 실례를 나타낸 것이다.
본 고안의 서보밸브는 구동용 전왜 진동자(10)와, 유체가 흐르는 유체 통로(40), 노즐부(20), 그리고 스풀부(30)를 포함하여 구성된다. 유체 통로(40)중 상부의 유체 통로(40a)(40b)는 양쪽 방향에서 일정한 압력으로 유체가 공급되는 통로로서, 양 통로로부터의 두 유체가 만나는 중앙 지점 각 통로단부에 각각 노즐을 설치하여 노즐부(20)를 형성한다. 그리고, 노즐부(20) 위에 구동용 전왜 진동자(10)를 설치하여 진동자(10)의 중간 부분이 상기 노즐부(20)를 이루는 두 노즐 사이의 중앙에 위치하도록 설치한다. 또한 두 유체 통로(40a)(40b) 각각의 양쪽 끝에 별도로 유체 통로(40c)(40d)를 형성하고, 이들의 하단쪽에서 서로 연결 순환되는 유체 통로(40e)를 형성한다. 하단부의 순환 유체 통로(40e)에는 외부의 유체와 연결시킬 수 있는 여러 개의 유체 통로를 추가하여 구성한다.
이렇게 구성된 하단부의 순환 유체 통로(40e)에 원기둥형 스풀부(30)를 삽입 설치한다. 삽입된 원기둥형 스풀부(30)는 서로 다른 직경으로 된 다수의 부분들을 갖도록 제작되어 그 이동 위치에 따라 하단부의 순환 유체 통로(40e)에 부가연결된 외부 유체 출입구들을 개폐하는 역할을 한다. 한편 원통형 스풀부(30) 중앙의 구멍에는 전왜 진동자(10) 하단에 위치한 볼(13)을 삽입 설치한다.
제2(a)도 및 제2(b)도는 본 고안의 전기-유압 서보밸브에 사용한 전왜 진동자(10)의 구성개요를 보여준다. 제2(a)도의 전왜 진동자는 외부 케이스(50)에 결합되는 두 개의 금속 탄성체(11a)(11b) 하부에 복수의 전왜 소자(12)들을 각 소자의 분극 방향(화살표로 표시)이 서로 반대가 되도록 적층하여 적층형 전왜 진동자를 구성한다. 이와 같이 된 적층형 전왜 진동자의 하단에 T자형 금속 탄성체(11c)를 체결하고, 체결된 T자형 금속 탄성체(11c)의 수직부 측면에 전왜 소자(12)를 부착하여 바이몰프형 전왜 진동자를 구성한다. 또한, 상기 T자형 금속 탄성체(11c)의 하단에는 원뿔형 금속 탄성체(11d) 및 금속 볼(13)을 도시된 양태로 연결 설치한다.
이렇게 구성된 전왜 진동자(10)의 하단 금속 볼(13)을 스풀부(30)의 중앙 구멍에 삽입 설치하고, 전왜 진동자(10) 상부는 외부 케이스(50)에 단단히 결합시켜 전왜형 서보밸브를 구성한다.
제2(b)도에 나타낸 전왜 진동자의 경우는 상술한 제2(a)도의 전왜 진동자 구성과는 적층형 전왜 소자(12)의 상단과 하단에 연결되는 금속 탄성체(11a)(11b)(11c)에 구멍(16)을 형성한 것만 상이하고, 나머지 부분은 동일하다.
그리고, 제2(a)도 및 제2(b)도의 전왜 진동자를 구성하는 전왜 진동자(12)들에 각각 교류 전원(V)을 도시된 양태로 연결하여 필요한 구동 전압을 공급한다.
제2(a)도 혹은 제2(b)도에 나타낸 전왜 진동자중 바이몰프 전왜 진동자부분에 교류 전압 V를 인가할 경우 전왜 진동자의 볼(13)에서 발생한 변위(δbal1)는 각각 다음 식 (1) 및 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
여기서 L1과 L2는 각각 두쌍의 적층형 전왜 진동자 부분을 지지하는 T자형 금속 탄성체(11c)의 상단 길이 및 후단의 전왜 소자 길이를 의미한다. 그리고 n은 적층형 전왜 진동자 부분에 사용한 전왜 소자의 개수이고, w 및 h는 각각 전왜 소자의 폭 및 높이를 의미한다. 또한 d33및 d31은 전왜 소자의 특성 상수를 의미하고, 식 (2)의 δMC는 제2(b)도의 적층 전왜 소자의 위 아래에 부착된 금속 탄성체에 의하여 부가적으로 전왜 소자의 적층 방향으로 확대되는 변형량을 의미한다. 일반적으로 전왜상수 d31은 음의 값을 가지므로 일반적인 바이몰프형 전왜 진동자보다 더 큰 변위를 발생함을 알 수 있다.
작용에 있어서, 제2(a)도 혹은 제2(b)도의 전왜 진동자(10)를 제1도와 같이 결합설치하여 전왜형 서보밸브를 구성하고, 전왜 진동자(10)에 교류 혹은 계단형 직류 전압을 인가할 경우 전왜 진동자 하단부가 좌우로 변형하게 된다. 이러한 전왜 진동자 하단부의 변형에 의해 노즐부(20)의 왼쪽 혹은 오른쪽의 노즐이 막히게 되어 유체 통로(40)의 통로가 변경되고, 일정한 압력으로 공급되는 유체의 흐름이 변경되게 된다. 일례로 전왜 진동자(10) 하단이 오른쪽으로 변형되어 노즐부(20)의 오른쪽 노즐을 차단하게 되면, 노즐부(20)에 연결된 오른쪽 유체통로(40b)가 차단되어 유체의 흐름이 오른쪽 하단 유체 통로(40d)로 변경되어 이루어지고, 이 통로를 통한 유체는 스풀부(30)를 도면상 왼쪽으로 이동시키는 압력으로 작용하여 스풀부(30)가 왼쪽으로 이동하게 된다. 상대적으로 노즐부(20)의 왼쪽 노즐은 완전히 열리게 되어 유체가 순환하게 된다. 이로써 상기 스풀부(30)가 내장된 유체 통로(40e)에 연결된 별도의 유체 통로들을 통해 작동하고자 하는 부위로 유체를 선택공급할 수 있게 된다. 만약, 상기 전왜 진동자(10) 하단부가 왼쪽으로 변형된 경우는 상기의 반대로 동작하게 된다.
또한 인가 전압의 크기에 의해 전왜 진동자의 변형량이 결정되게 되고, 그 변형량에 의해 스풀부(30)의 이동 거리가 결정된다. 그러므로 스풀부(30) 이동 거리를 검출하는 별도의 센서를 설치할 경우, 이 센서의 출력을 전왜 진동자의 공급전압에 피드백(feedback)시켜 스풀부(30)의 이동 거리를 정밀하게 조절할 수 있고 관련장치의 작동부에 공급하고자 하는 유량을 정밀하게 제어할 수 있는 전왜형 전기-유압 서보밸브의 구성 제공이 가능하다.
제3도는 기존의 전자석을 이용한 전기-유압 서보밸브의 구성개요를 나타낸 것인데, 본 고안과 상이한 점은 서보밸브 구동용 진동자(10')가 영구자석(14), 코일(15), 그리고 금속 탄성체(11')로 구성되어 있어 복잡하고, 큰 부피를 차지한다. 또한 그 작동에 전원(16)으로부터 큰 전류의 공급이 필요하므로 전력의 소모가 많다.
그러나 상술한 본 고안에서와 같이 전기 에너지를 기계 에너지로 직접 변환시키는 PbMgNbO3, 혹은 PbMgNbO3- PbZnNbO3-PbTiO3등의 전왜 소자를 이용한 적층형 전왜 진동자 및 바이몰프형 전왜 진동자를 조합시킨 진동자를 사용하여 서보밸브를 구성할 경우 코일, 영구자석 등을 사용하지 않고도 큰 구동력을 발생시킬 수 있으므로 소형화가 가능하고, 전왜 소자의 응답 속도가 영구자석을 이용한 전자석에 비하여 월등하게 빠르므로 고속 응답 서보밸브를 구성할 수 있다.
또한 아주 미소한 공급전류만으로도 작동가능하므로 소비 전력을 크게 줄일 수 있어 경제적이다. 따라서, 본 고안의 전왜 진동자를 이용하여 서보밸브를 구성할 경우 고 응답성 특성, 저 소비 전력 특성, 그리고 소형화가 가능하여 기존 전자석식 서보밸브의 용도에 비해 그 응용 범위가 크게 확대될 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 금속 탄성체(11a)(11b)와, 상기 금속 탄성체(11a)(11b)의 하부에 각각의 분극방향을 상호 반대로 하여 적층된 복수의 전왜 소자(12)들과, 상기 적층된 전왜 소자(12)들의 하단에 연결설치된 T형 금속 탄성체(11c)와, 상기 T형 금속 탄성체(11c)의 수직부 측면에서 부착된 전왜 소자(12)들과, 상기 T형 금속 탄성체(11c)의 하단에 연결설치된 원뿔형 금속 탄성체(11d) 및 금속 볼(13)로 이루어진 전왜 진동자(10)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전왜형 전기-유압 서보밸브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 탄성체(11a)(11b)(11c)가 그 사이의 적층 전왜 소자(12)들을 향한 면에 구멍(16)을 가지는 것을 특징으로 하는 전왜형 전기-유압 서보밸브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전왜 소자(12)가 PbMgNbO3또는 PbMgNbO3- PbZnNbO3-PbTiO3로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전왜형 전기-유압 서보밸브.
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KR101301107B1 (ko) * 2012-04-12 2013-08-27 주식회사 프로텍 압전 펌프

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