KR20030020788A - 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치 - Google Patents

솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치 Download PDF

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KR20030020788A
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/16—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with polarised armatures moving in alternate directions by reversal or energisation of a single coil system

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Abstract

본 발명은 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치에 관한 것으로, 철심과, 상기 철심에 자기장이 발생될 수 있도록 일단 및 타단에 서로다른 극성의 전류가 인가되어 소정횟수로 권취되는 코일로 이루어지는 전자석과, 상기 전자석에 대하여 상대적인 자속변화가 가능하도록 상기 전자석의 양측에서 동일극성이 대치되도록 위치하는 한쌍의 영구자석과, 상기 전자석 및 영구자석에 대하여 상대적인 구동이 가능하도록 자속흐름의 연계를 위해 자속로를 형성하는 한쌍의 제 1요크 및 한쌍의 제 2요크가 상기 전자석 및 영구자석의 외곽에서 대칭적으로 위치하여 이루어지는 요크부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치{A Linear Actuating Device Using Solenoid And Permanent Magnet}
본 발명은 전자기유도를 이용한 정밀직선구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자석과 영구자석의 상대적인 자속변화에 따른 인력의 차이를 이용하여 자속흐름의 연계를 위한 다수개의 요크를 대칭되게 배치하여 상호간에 상대적으로 직선구동이 가능하게 하는 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치에 관한 것이다.
일반적으로 전자기유도를 이용하여 구동하는 장치는 유도전류에 의해 발생되는 자기력의 변화를 조절하여 구동을 실현하는 것으로, 보통 일방향으로의 구동만이 가능하다.
이러한 종래 구동장치는 전류가 인가되는 코일 즉, 솔레노이드의 자기력을 이용하는 것으로, 코일의 권취횟수와 인가하는 전류의 크기의 제곱은 힘에 비례하게 되는 일반적인 전자기유도원리에 의해 지배된다.
그런데, 상기 구동장치는 코일에 인가되는 전류에 따라 일방향으로 구동되었다가 다시 그 반대방향으로 복귀하려면 인가전류를 차단한 뒤, 스프링과 같은 탄성수단의 부가적인 도움을 받아야만 한다.
이 때 상기 스프링의 바운싱(Bouncing)으로 진동이 발생되어 정밀직선구동에는 부적합한 문제점이 있다.
여타 종래 구동장치도 일방향으로의 구동에만 국한되도록 구조적으로 설계되어 양방향으로의 구동을 위해서는 상기 스프링과 같은 별도의 보상수단이 구비되어야만 하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 도출된 것으로써, 본 발명의 제 1목적은 양방향직선구동이 가능한 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치을 제공하는 것이다.
그리고, 본 발명의 제 2목적은 영구자석에 대한 전자석의 상대적인 자속변화를 통해 자속흐름을 연계하는 요크부가 상대적으로 직선구동될 수 있는 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치를 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적들은, 철심과, 상기 철심에 자기장이 발생될 수 있도록 일단 및 타단에 서로 다른 극성의 전류가 인가되어 소정횟수로 권취되는 코일로 이루어지는 전자석;
상기 전자석에 대한 상대적인 자속변화를 유도하도록 상기 전자석을 사이에 두고 동일극성이 대치되게 위치하는 한쌍의 영구자석;
상기 전자석 및 영구자석에 대하여 상대적인 구동이 가능하도록 자속흐름의 연계를 위해 자속로를 형성하는 한쌍의 제 1요크 및 한쌍의 제 2요크가 상기 전자석 및 영구자석의 외곽에서 대칭적으로 위치하여 이루어지는 요크부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 요크부는 영구자석에 대해 동일극성으로 대칭 결합되는 한쌍의 영구자석에 상기 제 1요크가 대칭되게 고정되며, 상기 제 2요크가 자속의 변화에따라 상기 제 1요크에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 위치하여 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 요크부는 상기 한쌍의 제 1요크가 자속흐름의 연계를 위해 더 구비되는 연결요크로 전자석에 각각 대칭되게 연결되며, 상기 한쌍의 제 2요크가 상기 제 1요크에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 한쌍의 영구자석에 동일극성으로 각각 대칭되게 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 요크부는 상기 한쌍의 제 1요크가 각각 자속흐름의 연계를 위해 더 구비되는 연결요크에 연결되어 대칭을 이루며, 상기 한쌍의 제 2요크가 상기 제 1요크에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 전자석에 연결된 영구자석에 대칭적으로 연결되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 요크부는 자속흐름의 연계를 위해 더 구비되는 연결요크에 대하여 상대적으로 구동될 수 있도록 상기 제 1요크 및 상기 제 1요크에 연결되는 제 2요크가 한쌍으로 대칭되는 전자석 및 상기 전자석에 동일극성으로 각각 연결되어 대칭을 이루는 영구자석에 대칭되게 부착되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 요크부는 상기 한쌍의 제 1요크의 대면부위에 자속보강팁이 일체로 형성되어 대칭을 이루며, 상기 제 1요크에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 전자석에 동일극성으로 연결되는 한쌍의 영구자석에 상기 한쌍의 제 2요크가 각각 연결되어 대칭을 이루는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 요크부는 상기 한쌍의 제 1요크가 한쌍의 영구자석에 동일극성으로 연결되어 대칭을 이루며, 상기 한쌍의 제 2요크가 상기 제 1요크에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 전자석으로 연결되어 대칭을 이루는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 요크부는 상기 제 2요크가 한쌍의 영구자석에 동일극성으로 각각 연결되어 대칭을 이루며, 상기 한쌍의 제 2요크가 상기 한쌍의 제 1요크에 대칭되게 고정되어 상기 영구자석 사이에 위치하는 상기 전자석에 대해 상대적으로 구동되는 것이 바람직하다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치의 제 1실시도
도 2는 상기 직선구동장치의 제 2실시도,
도 3는 상기 직선구동장치의 제 3실시도,
도 4는 상기 직선구동장치의 제 4실시도,
도 5는 상기 직선구동장치의 제 5실시도,
도 6은 상기 직선구동장치의 제 6실시도,
도 7은 상기 직선구동장치의 제 7실시도이다.
< 도면의 주요부분에 따른 부호의 설명 >
10: 전자석 11: 철심
12: 코일 20: 요크부
21: 제 1요크 21a: 자속보강팁
22: 제 2요크 30: 영구자석
40: 연결요크 100: 직선구동장치
다음으로는 본 발명에 따른 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치의 제 1실시도이고, 도 2는 상기 직선구동장치의 제 2실시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 직선구동장치(100)는 극성을 달리하여 인가되는 전류에 따라 자속의 방향이 변경되는 전자석(10)과, 상기 전자석(10)에 극성을 달리하여 근접 또는 부착시킴으로써, 상기 전자석(10)에 대한 상대적인 자속변화를 유도하는 영구자석(30)이 구동원이 되어 이들을 둘러싼 요크부(20)가 상대적으로 직선구동될 수 있도록 하는 것으로서, 전체적으로 직사각형의 대칭구조를 취하고 있다.
이러한 상기 직선구동장치(100)는 상술한 바와 같이 상기 전자석(10) 및 영구자석(30)이 구동원이 되도록 상기 전자석(10)에 대해 한쌍의 영구자석(30)이 동일극성으로 근접 또는 부착되어 자속의 변화를 유도하게 되며, 이러한 상기 전자석(10)은 철심(11)에 소정횟수로 권취되는 코일(12) 즉, 솔레노이드로 이루어진다.
이 때, 상기 코일(12)의 양단에는 서로 다른 극성의 전류가 인가되며, 그 극성에 기초하여 자속의 방향 또한 변경되며, 상기 철심(11)은 원활한 자속흐름을 위한 자속로 형성을 위해 기능한다.
아울러, 상기 전자석(10) 및 영구자석(30)이 발현하는 소정의 자기장은 도체물질의 물리적인 이동을 가능하게 하는데, 상기 요크부(20)가 이러한 이동의 대상이 되며, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 요크부(20)는 한쌍의 제 1요크(21)와, 상기 제 1요크(21)에 대해 상대적인 구동을 하게 되는 제 2요크(22)로 이루어져 자속의 흐름을 연계하는 자속흐름의 통로로서 기능하며, 철제로 이루어진 도체성물질이다.
이 때, 상기 구동장치(100)의 중앙에는 전자석(10)이 위치하며, 상기 전자석(10)에 대한 자속변화를 유동하기 위해 상기 전자석(10) 양측에는 한쌍의 영구자석(30)이 동일극성으로 대칭되게 부착되어 있는데, 즉 상기 전자석(10) 양측에 부착되는 영구자석(30)의 극성은 공히 N극이다
그리고, 상기 각 영구자석(30)에는 한쌍의 제 1요크(21)가 대칭되게 부착되어 있으며, 상기 제 1요크(21)에 대해 상대적인 구동이 가능하도록 제 2요크(22)가 상기 제 1요크(21)에 소정간격을 두고 대칭되게 위치하고 있다.
따라서, 상기 전자석(10)의 코일(12)에 전류가 인가되면, 상기 소정간격 사이에는 자기장이 발생되면서 서로 끌어당기는 힘인 인력이 발생되는데, 이 때 상기 간격은 제 1요크(21)와 제 2요크(22) 사이의 두곳이며, 상기 인력은 상기 두곳의 간격에서 상기 코일(12)의 양단에 인가되는 전류의 극성에 따라 그 크기가 변화되어 결국 제 1요크(21)는 제 2요크(22)에 대해 상대적으로 직선구동될 수 있다.
아울러, 인력 및 자속과 상기 간격 사이의 관계는 하기식에서와 같다.
여기서, F는 인력(또는 구동력), ψ는 자속의 흐름, Z는 구동간격이다.
따라서, 상기 두곳의 간격에서의 인력의 차이는 상기 제 1요크(21)와 제 2요크(22)의 상대적인 구동을 야기하게 된다.
한편, 도 2에 도시된 바와같이, 상기 구동장치(100)는 상기 요크부(20)에서 상기 한쌍의 제 1요크(21)가 전자석(10)의 양측에 연결요크(40)로 각각 연결되어 대칭을 이루며, 상기 제 2요크(22)가 상기 제 1요크(21)에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 한쌍의 영구자석(30)의 S극에 각각 연결되어 대칭을 이루는 것이다.
이러한 상기 연결요크(40)는 자속의 원활한 연계를 위해 구비되는 것으로 상기 제 1요크(21)나 제 2요크(22)와 같이 철제로 이루어진 도체성물질이다.
이 때 상기 영구자석(30)은 상기 전자석(10)에 대해 동일극성인 N극으로 근접하게 위치하며, 상기 수학식 1에 의거한 상호간의 자속흐름에 따라 소정의 인력을 구동력으로 제공하게 된다.
그러면, 상기 제 1요크(21)는 상기 영구자석(30)과 전자석(10) 사이의 자속변화에 따른 인력을 구동력으로 하여 상기 제 2요크(22)에 대해 상대적으로 직선구동될 수 있다.
도 3는 본 발명에 따른 솔레노이드와 영구자석(30)을 이용한 직선구동장치의 제 3실시도이고, 도 4은 상기 직선구동장치의 제 4실시도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와같이, 우선 도 3에서의 상기 구동장치(100)는 한쌍으로 대칭을 이루는 제 1요크(21)가 연결요크(40)로 연결되며, 전자석(10)은 한쌍으로 분리되어 대칭이 되도록 위치하며, 상기 전자석(10)에는 한쌍의 영구자석(30)이 각각 연결되는데, 이 때 상기 영구자석(30)이 전자석(10)에 부착되는 곳의 극성은 공히 N극이다.
아울러, 한쌍의 제 2요크(22)는 상기 영구자석(30)의 S극에 공통적으로 부착되어 있으며, 상기 제 1요크(21)에 대해 두곳에서 대칭적으로 소정간격을 유지하고 있다가 상기 전자석(10)의 코일(12)에 대한 전류인가에 따라 두곳의 소정간격에서의 상대적인 인력의 차이에 의해 직선구동될 수 있다.
이러한 구동은 상대적인 것으로, 상기 제 1요크(21)의 위치가 고정되면, 상기 제 2요크(22)가 구동되고, 제 2요크(22)의 위치가 고정되면 제 1요크(21)가 구동된다.
한편, 도 4에서의 상기 구동장치(100)는 상기 요크부(20)에서 자속흐름의 연계를 위해 더 구비되는 연결요크(40)에 대하여 상대적으로 구동될 수 있도록 상기제 1요크(21) 및 상기 제 1요크(21)에 연결되는 제 2요크(22)가 한쌍으로 대칭되는 전자석(10) 및 상기 전자석(10)에 동일한 극성인 N극으로 각각 연결되어 대칭을 이루는 영구자석(30)에 대칭되게 부착된다.
이 때 상기 연결요크(40)는 상기 한쌍으로 분리된 상기 전자석(10) 사이에서 소정간격을 두고 위치하며, 상기 전자석(10)의 전류인가에 따라 간격에서 발생되는 인력의 상대적인 차이를 극복하지 못하고, 직선구동하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치의 제 5실시도이고, 도 6은 상기 직선구동장치의 제 6실시도이며, 도 7은 상기 직선구동장치의 제 7실시도이다.
도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 바와같이, 우선 도 5에서의 상기 구동장치(100)에서 상기 요크부(20)는 상기 한쌍의 제 1요크(21)의 대면부위에 자속보강팁(21a)이 일체로 형성되어 대칭을 이루며, 상기 제 1요크(21)에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 전자석(10)에 S극으로 연결되는 한쌍의 영구자석(30)에 상기 한쌍의 제 2요크(22)가 각각 연결되어 대칭을 이룬다.
이 때, 상기 자속보강팁(21a)은 상기 전자석(10)에 대해 소정간격을 갖는데, 상기 전자석(10)에 인가되는 전류에 따라 발생되는 인력이 상기 간격에서 차이를 두고 발생하기 때문에, 상기 제 1요크(21)가 상기 1요크에 대해 상대적으로 직선구동될 수 있다.
다음으로 도 6에서의 상기 구동장치(100)에서 상기 요크부(20)는 한쌍의 제 1요크(21)가 한쌍의 영구자석(30)에 N극으로 연결되어 대칭을 이루며, 상기 한쌍의제 2요크(22)가 상기 제 1요크(21)에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 전자석(10)으로 연결되어 대칭을 이룬다.
결국, 상기 제 1요크(21)에는 영구자석(30)이, 상기 제 2요크(22)에는 전자석(10)이 부착되어 상호 소정간격을 두고 있는 것으로, 상기 전자석(10)은 상기 영구자석(30)의 S극 사이에서 위치하게 되며, 상기 전자석(10)에 인가되는 전류에 따라 간격에서의 인력의 차이로 인해 상호간에 직선구동이 이루어질 수 있다.
한편, 도 7에서의 상기 구동장치(100)에서 상기 요크부(20)는 한쌍의 제 2요크(22)가 한쌍의 영구자석(30)에 N극으로 각각 연결되어 대칭을 이루며, 상기 한쌍의 제 2요크(22)가 상기 한쌍의 제 1요크(21)에 대칭되게 고정되어 상기 영구자석(30) 사이에 위치하는 상기 전자석(10)에 대해 상대적으로 구동된다.
이 때 상기 전자석(10)은 상기 영구자석(30)의 S극 사이에 위치하게 되며, 전류인가에 따른 자속변화가 인력의 차이를 야기하여 결국 서로 연결되는 제 1요크(21) 및 제 2요크(22) 그리고 영구자석(30)에 대해 상대적으로 직선구동될 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치(100)는 영구자석(30)과 전자석(10)의 자속흐름이 요크부(20)에 의해 연속적으로 연계됨으로써, 자속흐름의 단절됨없이 전자석(10)에 대한 인가전류에 따라 계속적인 구동력 생성이 가능하다.
따라서, 요크부(20)의 제 1요크(21) 및 제 2요크(22)의 상대적인 구동뿐만 아니라 요크부(20)와 영구자석(30), 요크부(20)와 전자석(10) 등 다양한 경우에 따라 임의대로 상대적인 구동대상을 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 상기 구동장치(100)는 전체적으로 직사각의 형상을 취하는 것 이외에, 정사각의 형상의 대칭구조를 취하는 것도 필요에 따라 사용될 수 있다.
또한, 상기 영구자석(30)은 한쌍으로 구비되어 대칭을 이루는 것 이외에, 원통형상을 취하여 상기 전자석(10)을 안측에 구비되며, 이에 대응하여 요크부(20)도 상기 영구자석(30)의 외곽에서 원통형상을 취함으로써, 모든 방향에 대하여 상호 대칭을 이룰 수 있는 형태인 것도 본 발명에 포함될 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치에 따르면, 구동대상의 선별에 따른 영구자석 및 전자석과 요크부의 간단한 조합만으로도 정밀하고 신속한 직선구동이 가능한 특징이 있다.
아울러, 전자석의 코일의 양단에 인가되는 전류의 극성 및 크기를 달리함으로써, 구동력의 크기나 구동시간이 변경되기 때문에, 전류인가에 따라 용이하고 정밀하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전자석에 인가되는 전류극성에 따라 구동방향이 변경될 수 있기 때문에, 양방향구동이 가능한 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (8)

  1. 철심(11)과, 상기 철심(11)에 자기장이 발생될 수 있도록 일단 및 타단에 서로 다른 극성의 전류가 인가되어 소정횟수로 권취되는 코일로 이루어지는 전자석(10);
    상기 전자석(10)에 대한 상대적인 자속변화를 유도하도록 상기 전자석(10)을 사이에 두고 동일극성이 대치되게 위치하는 한쌍의 영구자석(30);
    상기 전자석(10) 및 영구자석(30)에 대하여 상대적인 구동이 가능하도록 자속흐름의 연계를 위해 자속로를 형성하는 한쌍의 제 1요크(21) 및 한쌍의 제 2요크(22)가 상기 전자석(10) 및 영구자석(30)의 외곽에서 대칭적으로 위치하여 이루어지는 요크부(20);로 구성되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 요크부(20)는 영구자석(30)에 대해 동일극성으로 대칭 결합되는 한쌍의 영구자석(30)에 상기 제 1요크(21)가 대칭되게 고정되며, 상기 제 2요크(22)가 자속의 변화에 따라 상기 제 1요크(21)에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 위치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 요크부(20)는 상기 한쌍의 제 1요크(21)가 자속흐름의 연계를 위해 더 구비되는 연결요크(40)로 전자석(10)에 각각 대칭되게 연결되며, 상기 한쌍의 제 2요크(22)가 상기 제 1요크(21)에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 한쌍의 영구자석(30)에 동일극성으로 각각 대칭되게 연결되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 요크부(20)는 상기 한쌍의 제 1요크(21)가 각각 자속흐름의 연계를 위해 더 구비되는 연결요크(40)에 연결되어 대칭을 이루며, 상기 한쌍의 제 2요크(22)가 상기 제 1요크(21)에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 전자석(10)에 연결된 영구자석(30)에 대칭적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 요크부(20)는 자속흐름의 연계를 위해 더 구비되는 연결요크(40)에 대하여 상대적으로 구동될 수 있도록 상기 제 1요크(21) 및 상기 제 1요크(21)에 연결되는 제 2요크(22)가 한쌍으로 대칭되는 전자석(10) 및 상기 전자석(10)에 동일극성으로 각각 연결되어 대칭을 이루는 영구자석(30)에 대칭되게 부착되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 요크부(20)는 상기 한쌍의 제 1요크(21)의 대면부위에 자속보강팁(21a)이 일체로 형성되어 대칭을 이루며, 상기 제 1요크(21)에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 전자석(10)에 동일극성으로 연결되는 한쌍의 영구자석(30)에 상기 한쌍의 제 2요크(22)가 각각 연결되어 대칭을 이루는 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 요크부(20)는 상기 한쌍의 제 1요크(21)가 한쌍의 영구자석(30)에 동일극성으로 연결되어 대칭을 이루며, 상기 한쌍의 제 2요크(22)가 상기 제 1요크(21)에 대해 상대적으로 구동될 수 있도록 전자석(10)으로 연결되어 대칭을 이루는 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 요크부(20)는 상기 제 2요크(22)가 한쌍의 영구자석(30)에 동일극성으로 각각 연결되어 대칭을 이루며, 상기 한쌍의 제 2요크(22)가 상기 한쌍의 제 1요크(21)에 대칭되게 고정되어 상기 영구자석(30) 사이에 위치하는 상기 전자석(10)에 대해 상대적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드와 영구자석을 이용한 직선구동장치.
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