KR20020007388A - 위치센서를 갖춘 전자기적 선형 액추에이터 - Google Patents

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Abstract

전자기 액추에이터는 전기자가 강자성회로의 폴에 대하여 지지하는 두개의 최대 위치들 사이에서 로드를 축방향으로 구동하는 강자성 재료의 전기자(22)를 위한 축방향 이동 간격을 한정하는 강자성 회로를 하우징에서 구비하고, 탄력성 있는 복귀 수단은 최대 위치들 사이의 중간 위치에서 정지하여 밸브를 지지하기 위하여 제공되며, 적어도 하나의 코일이 회로에 의해 운반되고 전기자가 두 위치내로 선택적으로 이끌어지는 것이 가능하다. 로드 전기자의 이동거리 만큼의 길이의 방사상으로 자기화된 바를 운반하고, 하우징은 코일에 의해 발생된 장(場)에 약하게 노출되는 영역에서 위치된 적어도 하나의 자기 플럭스 센서를 운반한다.

Description

위치센서를 갖춘 전자기적 선형 액추에이터{ELECTROMAGNETIC LINEAR ACTUATOR WITH POSITION SENSOR}
프랑스 특허출원 제 98/12489호(FR-A-2 784 222)는 전기자가 강자성회로의 폴에 대하여 지지하는 두개의 최대 위치들 사이에서 로드-구동 강자성 전기자를 위한 축방향 이동 간격을 한정하는 강자성 회로를 하우징에서 구비하는 전자기 액추에이터를 개시하며, 탄력성 있는 복귀 수단은 최대 위치들 사이의 중간 위치에서 정지하여 밸브를 지지하기 위하여 제공되고, 적어도 하나의 코일이 회로에 의해 운반되며 전기자가 두 최대위치내로 선택적으로 이끌어지는 것이 가능하다.
전자기 수단은 밸브를 닫히도록 하는 방향으로 각각 전기자를 이끄는 여자(勵磁)(excitation)를 위하여 전기자의 각 측면에 위치된 두개의 코일과, 예들들어 여자될때 완전히 개방된 위치내로 밸브를 이끄는 전기자의 다른 측면에 위치된 제2자석을 포함한다. 참조로 된 특허출원 제 98/12489호에서 기술된 실시예는 반대로 전기자의 조합에서 전기자와 강자성 회로의 폴중 하나사이의 제로 크기의 공기틈새에 둘다 대응하는 두개의 안정한 자기 플럭스 통로를 나타내도록 하는 구조인 강자성 회로에 지지된 단일 코일만을 구비한다.
이러한 액추에이터의 만족스런 작동은 전기자가 이것의 최대 위치사이의 중간 위치에서 정지하도록 초기 조정을 요구한다. 이 목적을 위하여, 조정부재는 예를들어 "Dispositif reglable de commande de soupages et procede de reglage d'un tel dispositif"[조정가능한 밸브제어 장치를 이러한 장치를 조정하는 방법(An adjustable valve control device and a method of adjusting such a device)]라는 제목의 본 출원과 동일 날짜에 출원된 프랑스 특허출원에서 개시된 바와 같은 수단인, 조정부재는 스프링중 하나의 초기 압축을 조정하기 위하여 제공된다. 그러나, 이것은 폴에 의해 한정된 간격 또는 공기 틈새에서 전기자의 위치를 결정하는 것이 가능하도록 전기자의 위치를 감지하는 센서를 구비할 필요가 있다. 또한, 좋은 작동은 전기자의 행정이 완전함을 보장하기에 충분하도록 코일에 운반된 에너지를 요구하지만, 노이즈(noise) 및 마모(wear)를 발생시키는 엔드-오프-행정(end-of-stroke) 충격을 피하기 위해서 과도하게 요구되지 않는다.
제 2문제를 해결하기 위해서, 출원 98/12940은 전기자 이동의 최종 단계동안 적용된 에너지가 코일의 자기저항을 측정함으로써 결정됨을 보장하며, 그것은 강자성 회로의 폴에 대하여 고정하는 전기자 앞에의 행정의 마지막 단편동안 자기저항 [R(x)]과 공기틈새(x)사이의 거의 선형관계가 존재하는 강자성 회로를 암시한다.그 접근은 전기자의 정지 위치를 측정하는 것을 가능하게 하지 않는다.
본 발명은 로드의 축을 따르는 선형이동에서 구동로드(drive rod)를 운반시키는 전기자를 이동하는 전자기 액추에이터에 관한 것이다. 특히 중요하지만 본 발명의 독점적이지 못한 출원은 개방된 위치내로 및 닫힌 위치내로 선택적으로 밸브를 이끄는 액추에이터에 있고, 특히 스파크(spark) 점화 또는 압축 점화를 사용하는 내연기관의 밸브를 위한 액추에이터에 관한것이다.
본 발명의 상기 및 다른 특징은 첨부된 도면에 관련하여 어떤 점에서도 제한받지 않고 주어진 예로서 다음 실시예의 설명으로 부터 명확해 진다.
도 1은 밸브의 축을 포함하는 평면에 단면으로 적용되는 본 발명에 의한 밸브 액추에이터를 도시한다.
도 2는 실시예에서 위치측정 수단의 구조를 도시하는 상세도이다.
도 3은 도 2의 변형의 단편(fraction)을 도시한다.
도 4는 두 센서가 어떻게 연결되는지를 도시한 도면이다.
본 발명은 특히 정확한 방식으로 전기자의 정지위치를 결정하는 것을 가능하게 하는 수단과 함께 제공된 상기 제한된 형태의 액추에이터를 제공하도록 추구한다.
이 목적을 위해서, 본 발명은 전기자의 이동만큼의 길이의 방사상으로 자기화된 바를 운반하는 로드 또는 하우징을 구비한 액추에이터를 제공하고, 그곳에서 하우징 또는 로드는 코일을 통하여 지나가는 전류에 의해 장(場)(field)에 약하게 노출되는 영역에서 위치된 적어도 하나의 자기 플럭스 센서를 운반한다. 센서는 특히 홀 이펙터 센서(Hall effect sensor) 이다.
홀 이펙터 센서는 장의 기능으로서 실질적으로 선형인 응답(response)을 구비하며, 이렇게 이것의 출력 신호를 측정함으로써 자석의 이동을 추적하는 것이 가능하다. 또한, 온도 또는 느린 노화(aging)에 기인한 센서 드리프트(drift)는 재계산이 이것의 중간위치에 잇는 전기자에 대응하는 신호를 인식하기 위해서 단지 주기적으로만 수행될 필요가 있음을 의미한다.
바는 로드에 고정되며, 그것은 센서의 요구사항을 돕는다. 선택적인 가속에의 감도(sensitivity)를 감소시키기 위해서, 배치가 변환된다.
어떤 외부적 방해 요소를 감소시키는 반면에 유용한 신호를 또한 증가시키기 위해서, 검출기는 두개의 센서로 부터 출력을 받는 서브트랙터(subtracter)와 함께, 감도 방향이 반대이고 로드의 각 측면에 위치된 두개의 센서를 구비한다. 이렇게, 두 센서에 동등한 외부 효과는 상쇄된다.
두 센서가 하우징에 의해 운반될 때, 그들은 센서들중 각각의 하나에 로드의 각 측면에 감지된 플럭스를 운반하는 강자성 회로와, 두개의 센서로 부터의 출력을 받는 서브트랙터와 함께, 공통 실리콘 기판에 나란히 위치된다.
본 발명은 액추에이터를 조정하는 방법을 또한 제공하며,
- 코일 또는 코일들중 하나를 공급함으로써 전기자의 최대 위치중 하나로 전기자를 이끄는 단계,
- 전기자의 다른 최대 위치로 전기자를 이끌고 센서로 부터의 출력 신호를 측정하는 단계, 및
- 측정된 신호를 기초로 하여 전기자의 중간위치에 대응하는 출력 신호를 결정하는 단계를 포함한다.
바는 로드 및 하우징에의 센서에 있다. 배치는 자석의 약함(fragility)을 조절(accommodate)하기 위해서 변환될 수 있다.
출원 98/12489(FR-A-2 784 222)에서 개시된 종류의 단일 코일을 구비하는 액추에이터에 있어서, 전기자의 축을 포함하는 자기회로의 대칭의 평면에서 자기장의 강도는 특별히 조심하지 않고 여기서 센서를 위치시킬만큼 충분히 작다. 프로브(probe)의 감지 요소의 표준적인 평면은 대칭의 상기 평면에 놓여진다. 반대로, 두개의 코일이 이동축에 직각으로 향하는 곳인, 두개의 코일을 구비하는 회로에서, 예를들어 강자성 재료의 바깥 액추에이터의 요크(yoke)를 만듦으로써 일반적으로 코일의 단부를 보호할 필요가 있다.
도 1에서 도시된 액추에이터(10)는 출원 FR 98/12940에서 기술된 형태이며 엔진 밸브를 조절하기 위한 것이다. 이것은 엔진의 실린더 헤드(12)에 지지하는 하우징을 포함하고 나사와 같은 수단(비도시)에 의해 함께 쌓여지고 조립되는 복수의 부분에 의해 구성된다. 이들 부분은 비강자성 재료, 예를들어 경합금으로 만들어진다. 하우징은 비강자성재료와 같은 끼움쇠(shim)(20)를 거쳐 실린더 헤드(12)에 고정된다.
액추에이터는 손실을 감소시키기 위해서 유리하게 얇은 판으로된 강자성 재료의 이동 전기자(22)를 구비한다. 이것은 밸브(25)를 구동시키기 위하여 로드(24)에 고정된다. 전기자는 모양이 직사각형이고 하우징내에서 회전할수 없다. 로드 (24)는 하우징의 고리모양의 돌출부 또는 굴뚝모양(chimney)에 고정된 링(26)에 의해 안내된다.
두개의 복귀 스프링(28a, 28b)은 실질적으로 닫힌 위치와 완전히 개방된 위치사이의 중간 위치에서 정지하여 밸브를 지지하도록 제공된다. 스프링(28a)은 로드(24)에 고정된 플레이트(plate)(30)와 스프링의 압축을 조정하는 수단(비도시)사이에 압축된다. 다른 스프링(28b)은 밸브의 축에 고정된 플레이트(31)와 실린더 헤드에서 형성된 밸브 벽(well)의 바닥사이에 압축된다. 액추에이터는 프랑스 특허 제 98/11670호에서 기술된 바와 같이, 수축/압축으로 작동하는 단일 스프링과 함께 또한 사용되고, 닫힐 때 밸브가 밀봉되는 것을 보장하는 탄력성있는 댐퍼(damper)와 관련되며, 이렇게 로드와 밸브축이 단일부분으로서 만들어지는 것이 가능하게 한다.
하우징은 강자성 회로를 한정하도록 전기자와 함께 작동하는 유리하게 얇은 판으로 된 강자성 재료의 코어(36)를 포함하고, 이것은 또한 코어에 위치된 코일 (38)을 포함한다. 도시된 회로는 서로에 대하여 지지하는 두개의 보조적인 부분을 포함하거나, 단일부품으로서 만들어진다, 코어의 각 반을 구성하는 얇은 판 모양 (lamination)은 E자 형상이다. 코일(36)에서 맞물린 E자 형상의 상부 브랜치 (branch)(42)는 맨드렐(mandrel)(44)을 거쳐 지지한다.
각 절반의 다른 두개의 브랜치는 전기자를 위한 이동체적(travel volume)을 한정하도록 함께 작동한다. 전기자가 체적의 바닥(46)에 대하여 지지할 때, 이것은 밸브를 위하여 완전히 개방된 위치를 한정한다. 체적의 천장(ceiling)(48)은 그것에 대하여 지지하는 전기자가 밸브가 닫히는 것을 방해하지 않도록 보장하는 방식으로 밸브 시트(seat)에 대하여 위치된다.
전기자, 밸브 및 스프링에 의해 구성된 조립품은 자기 자신의 동조주파수르 구비하는 진동(oscillating) 시스템을 구성한다. 고정된 조건하에, 코일은 최대 (extreme) 위치내로 이동 장비를 가져오게 하기 위해서 동력을 공급하고, 그 다음 더 낮은 전류가 그곳에서 이것을 지지하기 위해서 적용되며, 그 후에 전류를 꺼서 다른 폴(pole)을 향하여 끌어당겨지는 위치에 전기자가 도달하면 이것을 재회복시키고, 이동 장비는 이것이 접합(abutment)내로 들어갈 때 까지 반대방향으로 이동하도록 야기시킨다.
코일에서의 전류는 조정루프(regulation loop)에 의하여, 및 전기자 행정의 끝에서 출원 98/12940에서 기술된 방법을 보충함으로써 서보(servo)조정된다.
바닥 플럭스(flux) 회로에 대한 상부 플럭스회로의 자연스런 불균형은 상부와 바닥 폴 표면에 및 전기자의 접해있는 표면에 다른 경사가 주어짐으로써 강조된다.
도 2에서 부분적으로 도시된 액추에이터는 스프링(28a)의 압축에 작용함으로써 전기자의 정지위치를 조정하는 장치를 포함한다. 이 장치는 하우징에 대하여 지지하는 톱니모양인 휠(50)에 의해 구성되고 탭된 링(52)은 하우징에 대하여 미끄러지는 키(key)에 의해 회전하는 것과 스프링(28a)으로 부터 압축력을 받는것을 방지한다. 특허출원 FR 99/05206에서 기술된 종류인 수단을 사용하여 바깥으로 부터 휠을 회전시킴으로써, 하우징에 대한 전기자의 정지 위치를 조정하는 것이 가능하다.
하우징에 대하여 로드 및 전기자의 위치를 측정하는 검출기(detector)는 로드(24)에 고정되고, 일반적으로 홀 이펙터 센서로 구성되고 하우징의 굴뚝모양에고정된 자기 플럭스 센서(56)에 접하여 위치된 자기화된 바(bar)(54)를 포함한다.
바의 축방향 길이(L1)은 적어도 전기자의 이동만큼 길고 바는 센서가 도 2에서 도시된 모양을 나타내는 바의 중심에 접하여 있을때 장력선(filed force line)이 이것을 발생시키도록 방사상의 자기화를 나타낸다. 만약 로드가 비자기적이라면, 로드의 금속부분은 힘의 라인(line of force)을 안내하는 강자성 재료의 부싱 (bushing)(58)에 의해 바로 부터 분리된다. 센서(56)는 축방향으로 플럭스를 채널링(channeling)하는 강자성 재료의 두개의 플레이트(60)사이에 위치된다. 센서의 각 측면에 플레이트의 축방향 길이는 바의 길이(L1)와 같은 치수(order)이다. 센서 (56)로 부터의 출력 와이어(wire)(62)는 굴뚝모양에서의 그루브(groove)에서 위치된다.
만약 로드가 강자성재료로 만들어진다면, 바는 로드의 평면에 직접 고정된다.
검출기를 포함하는 방위(azimuth) 평면은 코일에 의해 그곳에서 유도된 장 (field)이 작도록 선택된다. 자기회로의 균형(symmetry)은 이 장이 도 1의 평면에서 특히 제로(zero)가 됨을 보장한다.
두개 코일 구성에서, 이러한 평면은 존재하지 않으며 결과적으로 아이론 (iron)이 바깥에 있는 코일의 부분으로 부터의 자기장의 영향에 대하여 센서를 보호할 필요가 있다. 이 목적을 위하여, 코일 "단부(ends)"에 관하여 자주 언급한, 이들 부분은 플럭스를 채널링하는 강자성 재료의 얇은 케이스에 의해 그들 스스로를 보호한다.
도 3에서 도시된 변형의 실시예에서, 자기화된 바(54)는 하나의 구획 (segment)으로 부터 다음의 구획으로 지나가며 반대방향으로 방사상으로 자기화된 3개의 연속적인 구획을 포함하며, 이렇게 자석에 의해 발생된 플럭스의 더 많은 양때문에 전기자의 더욱 정확한 이동을 추적하는 것이 가능하다. 또 다른 변형에 있어서, 바는 다르게 자기화된 3개의 영역을 구비한다.
고온에서 조차 강하게[1테슬라(tesla)보다 큰] 남아있는 잔류자기장 (remanent field)을 구비하는 자석[예를들어, 사마륨-코발트(samarium-cobalt) 또는 네오디메-철-붕소(neodyme-iron-boron)형의 자석]의 사용은 프로브(probe)에서의 플럭스와 코일로 부터 오는 방해를 넘는 유용한 신호의 비율(ratio)을 또한 증가시키는 것이 가능하다.
어떤 경우에서, 특히 복수의 액추에이터가 공통으로 자기회로 수축과 함께 나란히 지지될 때(출원 FR 99/05206), 각 액추에이터는 내부적 방해의 관점에서 바람직하지만 인접한 액추에이터에 의해 야기된 방해의 관점에서 바람직하지 않은 로드의 축에 대한 방향으로 있는 인접한 액추에이터의 센서를 방해한다. 이러한 액추에이터의 효과는 로드에 대하여 대칭적으로 위치된 센서를 구비하고, 동일한 액추에이터 또는 인접한 액추에이터로 부터의 실질적으로 같은 플럭스를 받으며, 반대극성(polarity)의 작동 신호를 제공하기 위해서 편의된(biased), 도 4에서 도시된 종류의 차별적 구성과 함께 실제로 제거된다. 두 센서(56a, 56b)는 반대극성이다. 그들 출력 신호는 두배(double) 크기의 작동신호를 제공하는 출력(S)을 구비하는 아날로그 서브트랙터(subtracter)(66)의 두개의 입력에 적용되는 반면에, 외부 방해로 인한 잔류 에러는 두 센서가 같은 방해 장을 받을 때 공통의 모드 에러를 더이상 포함하지 않는다.

Claims (12)

  1. 전기자가 강자성회로의 폴에 대하여 지지하는 두개의 최대 위치들 사이에서 로드를 축방향으로 구동하는 강자성 재료의 전기자(22)를 위한 축방향 이동 간격을 한정하는 강자성 회로를 하우징에서 구비하고, 탄력성 있는 복귀 수단(28a, 28b)은 최대 위치들 사이의 중간 위치에서 정지하여 밸브를 지지하기 위하여 제공되며, 적어도 하나의 코일이 회로에 의해 운반되고 전기자가 두 최대위치내로 선택적으로 이끌어지는 것이 가능한 전자기 액추에이터에 있어서,
    로드 또는 하우징은 전기자의 이동거리 만큼의 길이의 방사상으로 자기화된 바(54)를 운반하고, 하우징(14) 또는 로드는 위치 검출기를 구성하기 위해서 코일에 의해 발생된 장(場)에 약하게 노출되는 영역에서 위치된 적어도 하나의 자기 플럭스 센서(56)를 운반하는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    센서는 홀 이펙터 센서인 것을 특징으로 하는 액추에이터.
  3. 제 2항에 있어서,
    전기자의 조합에서 전기자와 강자성 회로사이의 제로 크기의 공기틈새에 둘다 대응하는 두개의 안정한 자기 플럭스 통로를 나타내도록 하는 구조의 강자성 회로에 지지된 단일 코일(38)을 구비하는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
  4. 제 3항에 있어서,
    센서(56)는 전기자의 축을 포함하는 자기회로의 대칭의 평면에 위치되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    챔퍼되어(chamfered) 있고 전기자에 접하는 표면에 평행한 폴 표면과 함께 얇은 판으로 되어 있는 전기자를 구비하는 단일 코일 액추에이터인 것을 특징으로 하는 액추에이터.
  6. 제 2항에 있어서,
    이동축에 직교인 평면으로 향하는 두개의 코일을 구비하고, 코일의 단부가 자기적으로 보호되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
  7. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,
    자기화된 바(54)는 하나의 구획으로 부터 다음의 구획으로 지나가며 변환되는 방사상의 자기화를 갖춘 3개의 연속적인 구획을 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
  8. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,
    바는 다르게 자기화되는 3개의 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
  9. 제 1항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서,
    고온에서, 바의 재료는 1테슬라(tesla)보다 큰 잔류자기장을 구비하는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
  10. 제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서,
    로드는 자기성 재료로 만들어지고 자기화된 바(54)는 자기 플럭스 복귀 부싱(58)에 고정되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
  11. 제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서,
    로드는 강자성이고 자기화된 바는 로드의 평면에 고정되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
  12. 제 1항에 따르는 액추에이터를 계산하는 방법으로서,
    - 코일 또는 코일들중 하나를 공급함으로써 전기자의 최대 위치중 하나로 전기자를 이끄는 단계,
    - 다른 최대 위치로 전기자를 이끌고 센서로 부터의 출력 신호를 측정하는 단계, 및
    - 측정된 신호로 부터 전기자의 중간위치에 대응하는 출력 신호를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020017013583A 1999-04-23 2000-04-19 위치 센서를 구비한 전자기적 선형 액추에이터 KR100730392B1 (ko)

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