KR20030013391A - 비례 솔레노이드형 특성을 갖는 롱 스트로크 선형 보이스코일 액츄에이터 - Google Patents
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Abstract
비례 솔레노이드형 특징을 제공하는 보이스 코일 액츄에이터가 기재되어 있으며, 제 1 및 제 2 자석들이 제 1 소프트 자극편의 다른 단들에 위치되고, 반대 방향으로 자화되며, 상기 제 1 소프트 자극편은 제 1 자석의 길이 및 제 2 자석의 길이보다 긴 길이를 갖는다. 제 1 소프트 자극편의 길이보다 짧은 길이를 갖는 코일이 제 1 소프트 자극편 및 제 1 및 제 2 자석들에 공통인 축을 따라 이동하도록 위치되며, 구조는 제 1 및 제 2 자석들의 자유단들 간의 자기 경로를 제공한다.
Description
도 1에 도시된 바와 같이, 통상적인 롱 스트로크 원통형 선형 보이스 코일 액츄에이터(10)가 외부의 쉘(shell)(12)과, 긴 축 방향으로 자화된 자석(14)과, 짧은 부드러운 자극(16)과 긴 헤비 코일(long heavy coil)(18)로 이루어져 있다. 도 1은 개방단(open end)과 함께 그러한 종래의 원통형 액츄에이터의 종축 횡단면도의 1/2을 제공한다. 가장 아래의 수평 라인은 액튜에이터의 중심라인(centerline)이다. 도 1의 액츄에이터는 일반적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 종 모양의 힘 대 스트로크(Force vs. Stroke) 곡선을 갖는다. 그러나, 가장 높은 힘이 이동의 초기에 요구되는 응용들에서, 다른 설계가 요구된다. 그러한 액츄에이터에 대한 힘 대 스트로크 곡선은 비례 솔레노이드의 곡선과 유사한 직선이 될 수 있다. 그러나, 비례 솔레노이드의 힘 대 스트로크 특성의 기울기는 스프링에 의해 결정되고, 더구나, 비례 솔레노이드들은 단방향(unidirectional)의 장치들이다. 그러므로, 선형 힘 대 스트로크 특성을 갖는 선형 보이스 코일 액츄에이터 설계에 대한 필요성이 존재하며, 이는 그러한 특성을 위해 스프링에 의존하지 않으며, 양방향으로(bi-directionally) 동작한다.
본 발명은 일반적으로 롱 스트로크 원통형 보이스 코일 액츄에이터(long stroke cylinderical voice coil actuator)들에 관한 것이며, 특히 비례 솔레노이드의 특성과 유사한 특성들을 갖는 롱 스트로크 원통형의 보이스 코일 액츄에이터에 관한 것이다.
도 1은 오픈 엔드(open end)를 갖는 종래의 원통형 액츄에이터의 간략화된 1/2의 종축 횡단면도를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 액츄에이터에 대한 통상적인 힘 대 스트로크 곡선을 도시한도면.
도 3은 본 발명에 따른 클로즈드-엔디드 원통형 액츄에이터의 간략화된 1/2의 종축 횡단면도를 도시한 도면.
도 4는 좌에서 우 및 우에서 좌의 이동에 대한 도 3의 오픈-엔디드 원통형 액츄에이터에 대한 곡선들을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 오픈-엔디드 원통형 액츄에이터의 간략화된 종축 횡단면도를 도시한 도면.
도 6은 코일을 위한 다른 수의 암페어-횟수들에 대한 도 5의 오픈-엔디드 원통형 액츄에이터에 대한 힘 대 스트로크 곡선들을 도시한 도면.
발명의 요약
본 발명은, 제 1 및 제 2 자석(magnet)들과, 제 1 자석의 길이 및 제 2 자석의 길이보다 긴 길이를 갖는 제 1 소프트 자극편(soft magnet pole piece)으로서, 그 제 1 및 제 2 자석들은 제 1 소프트 자극편의 다른 단들에 위치되고, 반대방향으로 자화되는, 상기 제 1 소프트 자극편과, 제 1 소프트 자극편의 길이보다 더 짧은 길이를 가지며, 그 제 1 소프트 자극편 및 제 1 및 제 2 자석들에 공통인 축을 따라 이동하도록 위치되는 코일과, 제 1 및 제 2 자석들의 자유단(free end)들 간의 자기 경로(magnetic path)를 제공하는 구조를 포함하는 보이스 코일 액츄에이터의 상기 요구조건을 만족시킨다.
본 발명의 클로즈드 엔드(closed-end) 실시예에서, 자기 투과성 (magnetically permeable) 물질의 쉘은 제 1 및 제 2 자석들 및 그 제 1 소프트 자극 주위에 위치되고, 제 1 및 제 2 자석들의 자유단들에 결합된다. 슬롯들은 코일 어셈블리가 그 부하에 링크될 수 있는 쉘에 제공된다. 클로즈드-엔드(closed-end) 실시예에서, 제 1 및 제 2 자석들은 실질적으로 동일한 길이를 가질 수 있다.
본 발명의 오픈-엔디드(open-ended) 실시예에서, 오픈 엔드(opened-end)가 제 2 자극편에 제공되고, 쉘은 제 2 자석의 자유단과 접촉하도록, 제 2 소프트 자극편이 제 1 자석의 자유단에 위치되고, 자기적으로 투과성 물질의 쉘이 제 1 및 제 2 자석들, 및 제 1 및 제 2 소프트 자극편들 주위에 위치된다.
이하에 설명되는 바와 같이, 주응용(subject application)의 선형 보이스 코일 액츄에이터는 솔레노이드와 보이스 코일 액츄에이터 기술들 간의 브릿지로 고려될 수 있다. 그러한 액츄에이터의 힘 대 스트로크 특성(Force vs. Stroke characteristic)은 운동 방향을 향한 기울기를 갖는 직선이다. 그러나, 어떠한 스프링도 없으며, 운동 방향은 코일에 인가되는 전압의 극성의 간단한 변화에 의해 변화될 수 있다. 솔레노이드와는 달리, 액츄에이터의 이동 부분은 어떠한 자기적인 물질도 가지고 있지 않기 때문에, 어떠한 히스테리시스(hysteresis)도 없다.
그 주응용의 선형 보이스 코일 액츄에이터 설계는 영구 자석 물질의 비교적 작은 양을 사용하기 때문에, 그 비용은 동일한 스트로크에 대해 설계되는 종래의 액츄에이터(종래 기술)의 비용보다 낮다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들 및 이점들은 본 발명의 다음 상세한 설명 및 첨부 도면들을 고려할 때 보다 쉽게 이해될 것이다.
발명의 상세한 설명
본 발명에 따르면, 비례 솔레노이드형 특성을 갖는 롱 스트로크 보이스 코일 액츄에이터의 두가지 다른 구성들, 클로즈드-엔디드 설계, 및 오픈-엔디드 설계가 기재된다.
본 발명에 따른 클로즈드-엔디드 구성(20)은 도 3에 1/2의 종축의 횡단면에 도시된다. 이러한 구성은 코일 어셈블리(coil assembly)(도시되지 않음)로부터 부하(load)(도시되지 않음)로의 기계적인 링크들을 도출하기 위해 두개의 종축의 슬롯들(도시되지 않음)을 갖는 외부 쉘(22)과, 동일한 길이이고 반대 방향으로 자화된 두개의 영구 자석들(24, 26)과, 롱 소프트 자극편(28), 및 서보 응용들에 대해 적절한 짧고(short) 비교적 가벼운 코일(30)을 포함한다. 도 3에서, 두 자석들의길이는 액츄에이터의 종축에 평행하게 취해지고, 두 자석들의 자화 극성들은 화살표와 문자 "N"으로 표시된다. 그러한 액츄에이터의 에어 갭에서 플럭스 밀도(flux density)의 수직 성분은 이동의 시작과 끝에서 약간 감소하는 것을 제외하고는 전체 스트로크에서 일정하다. 두 운동 방향들에 대한 이러한 액츄에이터의 힘 대 스트로크 특성들은 도 4에 도시된다.
그러므로, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 소프트 자극편(28)의 길이는 자석들(24 또는 26) 중 하나의 길이보다 수배 더 길다. 자석(24)는 극편(28)의 한쪽 단에 위치되고, 자석(26)은 극편(28)의 다른 쪽 단에 위치된다. 도 4에 도시된 실시예에서, 자석들(24, 26)의 북극들(N)은 극편(28)에 의해 분리되어 서로 직면한다. 다른 자극 방위(orientation)들이 사용될 수 있는, 예를 들어, 자석들(24, 26)이 그들의 남극들(S)이 극편(28)에 의해 분리되어 서로 직면하도록 위치될 수 있음을 이해해야 한다.
외부 쉘(22)는 자기적으로 투과성 물질로 형성되고, 코일(30), 영구 자석들(24, 26), 및 극편(28)을 포함한다. 외부 쉘(22)의 한쪽 단(32)은 자석(24)의 자유단에 인접하게 위치되는 반면, 외부 쉘(22)의 다른 단(34)는 자석(26)의 자유 단에 인접하게 위치된다. 바람직한 실시예에서, 영구 자석들(24, 26)은 외부 쉘(22)의 단들(32, 34)과 각각 직접적으로 접촉한다. 그러나 다른 결합 구성들이 본 발명의 범위 내에서 자석들(24, 26)과 외부 쉘(22) 사이에 사용될 수 있음이 또한 이해되어야 한다. 또한, 액츄에이터 단들(32 또는 34)을 통해, 코일 어셈블리로부터 부하(load)로의 다른 기계적 링크들이 홀들 또는 슬롯들과 같이, 사용될 수있음을 이해해야 한다.
클로즈드-엔디드 설계에서, 부하에 대한 코일 어셈블리의 접속이 때때로 어려울 수 있기 때문에, 오픈-엔디드 설계가 바람직할 수 있다. 오픈-엔디드 장치의 에어 갭에서 플럭스 밀도의 수직 성분 또한 대부분의 이동 내에서 일정해야 한다. 그러한 설계는 도 5에 도시되며, 본 발명에 따른 오픈-엔디드 설계의 횡단면을 제공한다.
이러한 구성(40)의 특징들은 다른 길이이며 반대 방향으로 자화된 두개의 영구 자석들(42, 44), 자기 회로에 대한 리턴 경로(return path)의 일부로서 사용되는 짧은 소프트 자극편(48) 및 긴 소프트 자극편(46)을 포함한다. 코일(50)은 짧고 가벼우며, 코일 베이스(51) 주위에 위치된다. 극편(48)의 길이와 극편(46)의 길이간의 적절한 비가 결정된다. 영구 자석(42)의 길이와 영구 자석(44)의 길이 간의 적절한 비 또한 설정된다. 그러한 하나의 비는 1/2-1:2이다.
도 5로부터, 외부 쉘(52)는 클로즈드 엔드(54) 및 오픈 엔드(56)를 가짐을 알 수 있다. 영구 자석(42)은 긴 극편(46)의 한쪽 단에 인접한 극들 중 하나를 갖도록 위치되고, 영구 자석(44)은 긴 극편(46)의 다른 단에 인접하게 배치된다. 자석(42)이 긴 극편(46)에 직면한 북극(N)을 가지면, 자석(44)은 또한 그의 북극(N)이 긴 극편(46)에 직면하도록 위치될 수 있고, 그 반대도 성립한다. 짧은 극편(48)은 자석(44)의 자유단에 인접하게 위치되므로, 그 자유단이 외부 쉘(52)의 클로즈드 엔드(54)에 인접하게 위치된다. 자석(42)의 자유단은 외부 쉘(52)의 클로즈드 엔드(54)에 인접하여 위치된다. 본 발명의 오픈 엔디드 구성(40)의 바람직한 실시예에서, 영구 자석(42)의 자유 단은 외부 쉘(52)의 클로즈드 엔드(54)와 직접적으로 접촉하지만, 다른 결합 배치들이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다.
본 발명의 오픈-엔디드 구성(40)의 일실시예에서, 자석(44)은 실질적으로 자석(42)의 길이의 두배이며, 짧은 극편(48)은 자석(42)의 극편보다 더 길지는 않으며, 외부 쉘(52)은 짧은 극편(48) 근처의 지점으로부터 자석(42)의 자유단에 가까운 지점까지 연장한 부분을 갖는다. 더구나, 긴 소프트 자극편(46)의 길이는 영구 자석들(42, 44) 중 하나의 길이보다 길고, 코일(50)의 길이는 긴 소프트 자극편(46)의 길이보다 짧다.
도 5에 도시된 오픈-엔디드 실시예에서, 짧은 극편(48)은 대략적으로 코일(50)의 극편의 1과 1/2배의 길이를 갖는다. 코일(50)은 영구 자석(42)의 길이보다 약간 짧은 길이를 갖는다. 영구 자석(44)은 영구 자석(42)의 대략적으로 두배의 길이를 갖는다. 긴 극편(46)은 영구 자석(44)의 길이의 대략적으로 네(4)배인 길이를 갖는다.
코일에서 다른 수의 암페어 회수들에서 본 발명의 오픈-엔디드 설계의 힘 대 스트로크 특성들이 도 6에 도시된다. 각 라인의 기울기는 "전자기 스프링 (electromagnetic spring)" 상수로서 해석될 수 있는 코일 내의 전류에 의존함을 이해해야 한다.
액츄에이터에 의해 개발된 힘은 다음 방정식:
F = Fconst- K(xㆍs/2)
으로 기재될 수 있으며, 여기서,
Fconst는 스프링 효과를 고려하지 않고, 중간-스트로크의 힘이고;
K는 "전자기 스프링" 상수이고;
x는 운동 방향에 따른 좌표이고;
s는 전체 스트로크이다.
"전자기 스프링" 상수는 기하구조(geometry), 자기 물질들 및 코일 내의 전류의 양에 의해 결정될 수 있다. 주어진 기하구조에 대해서는, 엄밀히 말하자면 전류의 함수이다. 이러한 상수는 예를 들어, 다음과 같이 도 6에 도시된 각각의 특징으로부터 얻어질 수 있으며:
K = 2(Fo-Fconst)/s,
여기서, Fo는 그 스트로크의 초기에 액츄에이터에 의해 개발된 힘이다.
본 명세서에서 사용된 용어들 및 표현들은 제한이 아닌 설명으로 의도된 것이며, 도시되고 기재된 특징들 또는 그 부분들과 동등한 것들을 배제하는 용어들 및 표현들을 사용하는 것으로 의도된 것이 아니며, 여러가지 변경들이 청구된 발명의 범위 내에서 가능함을 인식해야 한다.
Claims (6)
- 보이스 코일 액츄에이터(voice coil actuator)에 있어서,길이를 갖는 제 1 자석(magnet)과,길이를 갖는 제 2 자석과,상기 제 1 자석의 길이 및 상기 제 2 자석의 길이보다 긴 길이를 갖는 제 1 소프트 자극편으로서, 상기 제 1 및 제 2 자석들은 상기 제 1 소프트 자극편의 다른 단들에 위치되고, 반대 방향으로 자화되는, 상기 제 1 소프트 자극편과,상기 제 1 자극편의 길이들보다 짧은 길이를 가지며, 상기 제 1 소프트 자극편 및 제 1 및 제 2 자석들에 공통인 축을 따른 이동을 위해 위치되는 코일과,상기 제 1 및 제 2 자석들의 자유단(free end)들 간의 자기 경로(magnetic path)를 제공하는 구조를 포함하는, 보이스 코일 액츄에이터.
- 보이스 코일 액츄에이터에 있어서,제 1 자석과,제 2 자석과,공통의 축을 따른 상기 제 1 및 제 2 자석들 간에 위치되는 제 1 소프트 자극편으로서, 상기 제 1 및 제 2 자석들은 반대 방향들로 자화되고, 상기 제 1 소프트 자극편은 공통 축을 따라서 제 1 자석의 길이 및 제 2 자석의 길이보다 더 긴 길이를 갖는, 상기 제 1 소프트 자극편과,상기 제 1 소프트 자극편의 길이보다 짧은 길이를 가지며, 상기 공통의 축을 따라 이동하도록 위치된 코일과, 상기 제 1 및 제 2 자석들의 자유단들 간의 자기 경로(magnetic path)를 제공하는 구조를 포함하는, 보이스 코일 액츄에이터.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 1 자석의 길이는 상기 제 2 자석의 길이와 실질적으로 동일한, 보이스 코일 액츄에이터.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 1 자석의 길이는 상기 제 2 자석의 길이의 실질적으로 두배이고, 상기 구조는 상기 제 1 자석의 자유단에 상기 공통 축을 따라 위치되고, 상기 제 1 자석의 길이보다 더 길지 않은 길이를 갖는, 제 2 소프트 자극편과, 제 상기 제 2 소프트 자극편 부근의 지점으로부터 상기 제 2 자석의 자유 단으로 연장하는 쉘 부분을 더 포함하는, 보이스 코일 액츄에이터.
- 클로즈드-엔디드 원통형 보이스 코일 액츄에이터에 있어서,제 1 자석과,제 2 자석과,공통의 축을 따른 상기 제 1 및 제 2 자석들 간에 위치된 제 1 소프트 자극편으로서, 상기 제 1 및 제 2 자석들은 반대 방향으로 자화되고, 상기 제 1 소프트자극편은 상기 공통의 축을 따라 상기 제 1 자석의 길이 및 상기 제 2 자석의 길이보다 긴 길이를 갖는, 상기 제 1 소프트 자극편과,상기 제 1 소프트 자극편의 길이보다 짧은 길이를 갖고, 상기 공통의 축을 따라 이동하도록 배치된 코일과,상기 제 1 및 제 2 자석들 및 상기 제 1 소프트 자극편에 대해 위치되고, 상기 제 1 및 제 2 자석들의 상기 자유단들에 결합되고, 코일 어셈블리가 상기 부하에 링크되는 두개의 세로의 슬롯들을 갖는, 자기 투과성 물질의 쉘을 포함하는, 클로즈드-엔디드 원통형 보이스 코일 액츄에이터.
- 오픈-엔디드 원통형 보이스 코일 액츄에이터에 있어서,자기 투과성 물질의 쉘과,제 1 자석과,제 2 자석과,공통의 축을 따라 상기 제 1 및 제 2 자석들 간에 위치된 제 1 소프트 자극편으로서, 상기 제 1 및 제 2 자석들은 반대 방향으로 자화되고, 상기 제 1 소프트 자극편은 상기 공통의 축을 따라 상기 제 1 자석의 길이 및 상기 제 2 자석의 길이보다 긴 길이를 갖는, 상기 제 1 소프트 자극편과,상기 제 1 소프트 자극편의 길이보다 짧은 길이를 갖고, 상기 공통의 축을 따라 이동하도록 위치된 코일과,상기 제 1 자석의 자유단에 위치된 제 2 소프트 자극편을 포함하고,상기 쉘은 상기 제 2 자극편에 오픈 엔드를 제공하고, 상기 제 2 자석과 접촉하도록 상기 제 1 및 제 2 자석들 및 상기 제 1 및 제 2 자극편들 주위에 위치된, 오픈-엔디드 원통형 보이스 코일 액츄에이터.
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