KR20030084639A - 위치 감지 장치 - Google Patents

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KR20030084639A
KR20030084639A KR10-2003-0025033A KR20030025033A KR20030084639A KR 20030084639 A KR20030084639 A KR 20030084639A KR 20030025033 A KR20030025033 A KR 20030025033A KR 20030084639 A KR20030084639 A KR 20030084639A
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왈터크레이그 라이트
데일에이치 킬렌
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디어 앤드 캄파니
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Abstract

실린더 위치 감지 시스템은 로드 또는 샤프트 요소를 미끄럼 가능하게 수용하는 실린더 하우징을 포함한다. 상기 실린더 하우징은 상기 샤프트 요소를 미끄럼 가능하게 수용하는 단부 피스를 갖는다. 제 1 축상 홈은 상기 샤프트 요소에 형성되며, 상기 제 1 자석 부재는 상기 제 1 홈에 장착된다. 제 2 나선형 홈은 상기 샤프트 요소에 형성되며 상기 제 1 홈으로부터 이격된다. 제 2 자석 부재는 상기 제 1 홈에 장착된다. 자계 센서는 실린더 하우징에 장착되어, 상기 제 2 요소가 제 1 요소에 대해 이동함에 따라, 상기 센서는 상기 제 1 및 제 2 자석 부재들 사이의 상대 거리의 함수로서 출력 신호를 발생시킨다. 적합하게도, 상기 샤프트 요소는 중심 실린더 샤프트 및 상기 샤프트 위에 장착되어 상기 샤프트를 수용하는 중공형 실린더 슬리브를 포함한다. 적합하게도, 상기 제 1 및 제 2 홈들은 상기 슬리브의 내부면에 형성되며, 상기 슬리브 및 단부 피스는 비철 재료로 제조된다.

Description

위치 감지 장치{Position sensing apparatus}
본 발명은 위치 감지 장치, 특히 위치 감지 피스톤/실린더 조립체에 관한 것이다.
실린더 위치 감지 장치에 대하여는 다양한 기술로서 공지되어 있다. 예를 들면, (엠티에스 시스템즈 코포레이션 등에 의해 제조된) 자기 왜곡 타입 센서(magnetostrictive type sensor)와 같은 집적 센서는 실린더의 단부에 부착되어 로드에 있는 보어 안으로 삽입된다. 이와 같은 센서는 고정되며, 부품을 로드 안으로 이동시킨다. 이 경우 로드에 보링될 비교적 큰 구멍 및 실린더의 단부 상에 감지 전자 장치를 고정하기 위한 일부 수단을 필요로 하며, 뿐만 아니라 배럴로부터의 신호들을 전송하기 위한 수단도 필요로 한다. 그와 같은 센서들은 주로 오직 단일 종결 로드들에 작용한다. 미국 특허 제 5,115,195호는 고정 몸체에 대한 이동 몸체의 위치를 측정하기 위한 다중 자석들을 갖는 쇼트 MTS 자기 왜곡 센서를 사용하는 설계에 대해 개시하고 있다. 그러나, 수압 실린더에서 그와 같은 센서와 자석들을 합체시키는 방법은 매우 어려울 뿐만 아니라 많은 비용을 요하게 된다.
미국특허 제 5,539,993호는 바-코드가 로드의 외부면 상에 위치하며 위치가 적절한 바-코드 판독기에 의해 결정되는 시스템에 대해 개시하고 있다. 홈들을 실린더 로드의 외부면 상에 기계가공하고, 상기 홈들 위에 크롬도금을 한 다음, 위치를 정하기 위해 홈의 개수를 "카운트(count)"하는 방법이 공지되어 있다. 이와 같은 방법은 이동량을 결정할 수는 있으나, 비동력 상태에서 실린더 드리프트시 절대위치를 결정하지는 못한다.
특정 실린더 위치 감지 장치는 선형 홀효과(Hall Effect) 센서를 포함한다. 그러나, 대표적으로, 상기 홀효과 센서는 실린더 내에 일체화되지 못한다. 미국특허 제 5,201,838호는 한쌍의 홀효과 센서들을 사용하는 실린더 위치 감지 장치를 개시하고 있으며, 단일 영구 자석가 피스톤 헤드의 면 상에 창착된다. 그러나, 그와 같은 설계는 매우 강력한 자석을 필요로 하며, 일반적으로 행정이 제한되는 소형 실린더만을 위해 작동된다. 영국특허 제 2108678호는 홀효과 센서 및 계단식 직경의 부재를 수용하는 피스톤 실린더 하우징의 외부에 장착되는 자석을 갖는 설계에 대해 개시하고 있다. 그러나 그와 같은 설계는 계단식 직경의 부재를 필요로 하며, 상기 부재의 다른 직경부들에 대응하는 불연속된 위치들만을 검출할 수 있다.
미국특허 제 6,253,460호는 비철 재료로 코팅된 테이퍼진 피스톤을 포함하는 피스톤 감지 실린더 설계에 대해 개시하고 있다. 이와 같은 센서는 센서로부터 비철 코팅부를 통해 테이퍼진 로드까지의 거리를 검출한다. 이와 같은 설계는, 상기 비철 코팅을 테이퍼진 로드에 적용하는 것이 어렵고 시간 소모적일 뿐만 아니라, 상기 코팅부의 외부면은 양호한 밀봉을 제공하도록 균일하게 되어야 하기 때문에 제조하기가 어려워진다. 또한, 상기 비철 재료는 경도와 부하 조건들을 충분히 충족시킬 수 있는 강도를 가져야 하며, 로드를 강화하기에 충분히 강하지만 유연해야하는 코팅을 얻기가 어렵게 된다. 마지막으로, 이와 같은 설계에 있어서, 코팅부와 센서 사이의 파편 또는 오염물질은 판독을 부정확하게 하는 원인이 된다.
미국특허 제 5,359,288호는 이동 부재 상에 장착된 자석 매질과 고정 부재 상에 장착된 홀셀(Hall Cell)과 같은 자계 센서를 구비한 위치 검출 장치를 개시하고 있다. 상기 자석 매질은 다른 극성들을 갖는 다른 면적을 갖는다. 그러나, 상기 이동 부재가 그의 축 방향을 가로질러 이동한다면, 그와 같은 설계는 부정확한 측정을 야기하며, 따라서 그와 같은 설계는 상기 로드가 회전하거나 또는 정상 이동 방향과 수직으로 이동할 수도 있는 수압 실린더에서 정확하게 기능하지 못한다.
따라서, 본 발명의 목적은 콤팩트하고, 강력하고, 정확한 실린더 위치 감지 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 피스톤이 다 방향으로 이동함에도 불구하고 실린더 위치/로드 위치를 정확하게 결정할 수 있는 실린더 위치 감지 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 실린더 하우징에 대한 피스톤 로드의 회전에도 불구하고 실린더 위치/로드 위치를 정확하게 결정할 수 있는 실린더 위치 감지 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 구멍이 로드에서 보링될 필요가 없고, 센서가 실린더 압축실의 외부에 위치되는 실린더 위치 감지 조립체를 제공하는 것이다.
상술한 목적들 및 기타 목적들은, 실린더 위치 감지 시스템이 로드 또는 샤프트 요소를 구비한 피스톤을 미끄럼 가능하게 수용하는 실린더 하우징을 포함하는, 본 발명에 의해 성취된다. 상기 실린더 하우징은 로드를 미끄럼 가능하게 수용하는 환상 단부 피스를 갖는다. 제 1 및 제 2 자석 부재들은 상기 로드 상에 또는 상기 로드 안에 장착된다. 상기 제 2 자석 부재는 제 1 자석 부재로부터 이격되며, 그들 사이의 공간은 상기 로드를 따라 축상 위치의 함수로서 변한다.
적합하게도, 제 1 축상 홈은 상기 샤프트 요소에 형성되며, 상기 제 1 자석 부재는 상기 제 1 홈에 장착된다. 제 2 나선형 홈은 상기 샤프트 요소에 형성되며 상기 제 1 홈으로부터 이격된다. 상기 제 2 자석 부재는 제 2 홈에 장착된다. 자계 센서는 실린더 하우징에 장착되어, 상기 제 2 요소가 제 1 요소에 대해 이동함에 따라, 상기 센서는 상기 제 1 및 제 2 자석 부재들 사이의 상대 거리의 기능으로서 출력 신호를 발생시킨다. 적합하게도, 상기 로드는 중심 실린더 샤프트 및 상기 샤프트 위에 장착되어 상기 샤프트를 수용하는 중공형 실린더 슬리브를 포함한다. 적합하게도, 상기 제 1 및 제 2 홈들은 상기 슬리브의 내부면에 형성되며, 상기 슬리브 및 단부 피스는 비철 재료로 제조된다.
도 1은 제거된 부위를 갖는 본 발명에 따른 대안적 실시예의 사시도.
도 2는 도 1의 위치 감지 실린더 조립체의 측단면도.
도 3은 도 2의 3-3 라인을 절취한 도면.
도 4는 도 2의 4-4 라인을 절취한 도면.
도 5는 도 2의 5-5 라인을 절취한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 실린더 조립체 12: 실린더 하우징
14: 피스톤 16: 샤프트 조립체
18: 단부 피스 24: 중공형 실린더 슬리브
28, 30: 홈 32, 34: 자석 부재
40, 42: 환상 홈 46: 고압 시일
50: 센서
도 1 및 도 2에 있어서, 위치 감지 실린더 조립체(10)는 로드 또는 샤프트 조립체(16)의 단부에 부착된 피스톤(14)을 미끄럼 가능하게 수용하는 실린더 하우징(12)을 포함한다. 상기 하우징(12)은 로드 조립체(16)를 미끄럼 가능하게 수용하는 중심 보어(20)를 갖는 단부 피스(18)를 형성한다.
상기 로드 조립체(16)는 베이스 또는 중심 로드(22) 및 상기 로드(22)를 수용하는 중심 코어(26)를 구비한 비철 중공형 실린더 슬리브(24)를 포함한다. 제 1 및 제 2 홈들(28, 30)은 상기 홈들(28, 30) 사이의 간격이 로드(22)를 따라 축상 위치의 함수로서 변하도록 보어(26)의 표면에 형성된다. 상기 제 1 홈(28)은 보어(26)에 축방향으로 연장할 수 있으며 로드(22)의 중심 축과 평행을 이룬다. 상기 제 2 홈(30)은 나선 형상을 가질 수 있다.
제 1 자석 부재(32)는 상기 제 1 홈(28)에 장착되며, 적합하게는 방사상 방향으로 경사진 남극 및 북극을 갖는다. 제 2 자석 부재(34)는 상기 제 2 홈(30)에 장착되며, 적합하게는 방사상 방향으로 경사지는 남극 및 북극을 갖는다. 선택적으로, 상기 홈들은 로드(22)의 외부면에 형성될 수 있다.
환상 홈들(40, 42 및 44)은 단부 피스(18)에 있는 보어(20)의 표면에 축상으로 이격되어 형성된다. 고압 시일(46)은 홈(40)에 장착되며, 슬리브(24)의 외부면과 밀봉적으로 결합한다. 와이퍼 시일(48)은 홈(44)에 장착되며, 슬리브(24)의 외부면과 밀봉적으로 결합한다.
자기 왜곡 센서와 같은 센서(50)는 홈(42)에 장착된다. 센서(50)는 단일 환상 자계 센서일 수 있으며, 또는 환상 세트의 복수의 자계 센서들일 수 있으며, 또한 2개의 자석들 사이의 간격을 감지할 수 있는 유사 센서일 수 있다. 그러한 센서들은 엠티스 시스템스 코포레이션에 의해 제조된다. 방사상 보어(52)는 센서(50)로부터 외부로 신호를 전달하기 위한 전기 와이어들을 수용하기 위해 상기 단부 피스(18)에 제공된다. 선택적으로, 상기 센서(50)는 상기 로드 조립체(16) 상에 장착된 분리 링(도시되지 않음)에 장착될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 슬리브(24)의 한 단부에서, 홈(28)은 약 90°의 각도만큼 홈(30)으로부터 시계 방향으로 이격되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 홈들의 중간점에서, 상기 홈들(28, 30)은 약 180°의 각도만큼 이격된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 홈들의 다른 단부에서, 상기 홈(28)은 약 90°의 각도만큼 홈(30)으로부터 시계 반대 방향으로 이격된다.
상기 로드 조립체(16)가 하우징(12)의 내외로 이동함에 따라, 센서(50) 내의 자석들(32, 34) 사이의 상대 공간은 변화하며, 변화하는 간격에 대응하여, 센서(50)는 하우징(12) 내에 위치하는 로드 조립체(16)의 위치를 나타내는 출력 신호를 발생한다.
상기 위치 감지 조립체는, 회전이 자석들(32, 34) 사이의 상대 공간을 변화시키지 않으므로, 상기 로드 조립체(16)의 회전에 상대적으로 덜 민감하다.
상기 홈(30)은 적합하게도 로드 조립체(16)의 한 단부로부터 다른 단부에 이르는 균일한 나선형 홈을 이룰 수 있으며, 상기 홈 단부들은 소정의 각도를 초과하지 않는 한도 내에서 서로로부터 각도적으로 오프셋된다. 상기 나선형 홈(30)은, 2개의 홈들 사이에 고정 최소 각도 간격을 제공하기 위해, 직렬형 홈(28)으로부터 한 단부에서 45°만큼, 다른 단부에서 225°만큼 오프셋될 수 있으나, 이것은 필수적인 요소는 아니다.
만약, 상기 홈들이 상기 슬리브 대신 로드에 형성될 경우, 상기 로드는 비철 재료로 제조되야만 하며, 또는 철 재료일 경우, 상기 자석 재료는 로드 재료로부터 격리되어야 한다. 선택적으로, 자석 재료는 상기 로드의 표면 상이나 또는 상기슬리브의 표면 상에 배치될 수 있다.
이와 같은 설계에 있어서, 상기 로드에는 어떠한 구멍도 보링될 필요가 없으며, 상기 센서는 실린더의 압축실의 외측에 하우징된다. 결과적으로, 상기 센서는 실린더의 압력에 대한 내성을 가질 필요가 없으며, 로드 통합성은 중간 아래에 보링된 구멍에 의한 위험에 노출되는 일이 없게 된다.
본 발명이 특정 실시예와 연관하여 설명되었을지라도, 상술된 설명에 기초하여 당업자들에 의한 대안, 조정 및 변경이 가능할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위들의 정신과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 모든 대안, 조정 및 변경을 포함하는 것임을 밝혀둔다.
본 발명에 의하면 보다 콤팩트하고, 강력하고, 정확한 실린더 위치 감지 조립체가 실현될 수 있다.

Claims (17)

  1. 제 1 요소와;
    상기 제 1 요소에 대해 미끄럼 가능한 제 2 요소와;
    상기 제 2 요소에 형성되고, 제 2 요소의 중심축과 평행하게 연장하는 제 1 홈과;
    상기 제 1 홈에 장착된 제 1 자석 부재와;
    상기 제 2 요소에 형성되고, 상기 제 1 홈으로부터 이격되고 나선형을 이루는 제 2 홈과;
    상기 제 2 홈에 장착된 제 2 자석 부재; 및
    상기 제 1 요소에 장착되고, 상기 제 2 요소가 제 1 요소에 대해 이동함에 따라 상기 제 1 및 제 2 자석 부재들 사이의 상대 거리의 함수로서 출력 신호를 발생하는 자계 센서를 포함하는 위치 감지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 요소는,
    실린더 샤프트; 및
    상기 샤프트 위에 장착되어 샤프트를 수용하는 중공형 실린더 슬리브를 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 홈들은 상기 슬리브의 내부면에 형성되는 위치 감지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 요소는 실린더 샤프트, 및 상기 샤프트 위에 장착되어 샤프트를 수용하는 중공형 실린더 슬리브를 포함하며,
    상기 제 1 요소는 샤프트 보어가 연장하는 단부 피스를 갖는 중공형 실린더 하우징을 포함하며, 상기 보어의 벽은 상기 슬리브와 미끄럼 가능하게 결합되는 위치 감지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 슬리브와 단부 피스는 비철 재료로 제조되는 위치 감지 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 환상 센서 홈은 상기 샤프트 보어의 표면에 형성되며, 상기 자계 센서는 상기 센서 홈에 장착되는 위치 감지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 제 1 및 제 2 시일 홈들이 상기 센서 홈의 대향면들 상의 샤프트 보어의 표면에 형성되며,
    고압 시일 요소가 상기 제 1 시일 홈에 장착되며, 상기 슬리브의 외부면과 밀봉적으로 미끄럼 가능하게 결합되며,
    와이퍼 시일 요소가 상기 제 2 시일 홈에 장착되며, 상기 슬리브의 외부면과 밀봉적으로 미끄럼 가능하게 결합되는 위치 감지 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 슬리브는 비철 재료로 제조되는 위치 감지 시스템.
  8. 중공형 실린더 하우징 요소와;
    상기 하우징 요소에 의해 미끄럼 가능하게 수용되며, 중심 샤프트 및 상기 샤프트 상에 장착된 중공형 실린더 슬리브를 포함하는 샤프트 요소와;
    상기 슬리브에 형성되고, 상기 샤프트의 중심축과 평행하게 연장하는 제 1 홈과;
    상기 제 1 홈에 장착된 제 1 자석 부재와;
    상기 슬리브에 형성되고, 상기 제 1 홈으로부터 이격되고 나선형을 이루는 제 2 홈과;
    상기 제 2 홈에 장착된 제 2 자석 부재; 및
    상기 하우징 요소에 장착되고, 상기 샤프트가 상기 하우징 요소에 대해 이동함에 따라 상기 제 1 및 제 2 자석 부재들 사이의 상대 거리의 함수로서 출력 신호를 발생하는 자계 센서를 포함하는 위치 감지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 홈들은 상기 슬리브의 내부면에 형성되는 위치 감지 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 하우징 요소는 샤프트 보어가 연장하는 단부 피스를 포함하며, 상기 보어의 벽은 상기 슬리브와 미끄럼 가능하게 결합되는 위치 감지시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 슬리브와 단부 피스는 비철 재료로 제조되는 위치 감지 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서, 환상 센서 홈이 상기 샤프트 보어의 표면에 형성되며, 상기 자계 센서는 상기 센서 홈에 장착되는 위치 감지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 제 1 및 제 2 시일 홈들이 상기 센서 홈의 대향면들 상의 샤프트 보어의 표면에 형성되며,
    고압 시일 요소가 상기 제 1 시일 홈에 장착되며, 상기 슬리브의 외부면과 밀봉적으로 미끄럼 가능하게 결합되며,
    와이퍼 시일 요소가 상기 제 2 시일 홈에 장착되며, 상기 슬리브의 외부면과 밀봉적으로 미끄럼 가능하게 결합되는 위치 감지 시스템.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 슬리브는 비철 재료로 제조되는 위치 감지 시스템.
  15. 제 1 요소와;
    축상 길이를 가지며, 상기 제 1 요소에 대해 미끄럼 가능한 제 2 요소와;
    상기 제 2 요소 상에 장착된 제 1 자석 부재와;
    상기 제 2 요소 상에 장착되고, 상기 제 1 자석 부재로부터 이격되며, 상기 제 2 부재를 따라 축방향 위치의 함수로서 변화하는 자기 부재들 사이에 공간을 갖는 제 2 자석 부재; 및
    상기 제 1 요소에 의해 지지되고, 상기 제 2 요소가 제 1 요소에 대해 이동함에 따라 상기 제 1 및 제 2 자석 부재들 사이의 간격의 함수로서 출력 신호를 발생하는 자계 센서를 포함하는 위치 감지 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 자석 부재는 상기 제 2 요소의 중심축과 평행하게 연장하며,
    상기 제 2 자석 부재는 나선형인 위치 감지 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서, 제 1 홈이 제 2 요소에 형성되며, 상기 제 1 홈은 상기 제 2 요소의 중심축과 평행하게 연장하고, 상기 제 1 자석 부재는 상기 제 1 홈에 장착되며,
    제 2 홈이 상기 제 2 요소에 형성되며, 상기 제 2 홈은 상기 제 1 홈으로부터 이격되고 나선형을 이루며, 상기 제 2 자석 부재는 상기 제 2 홈에 장착되는 위치 감지 시스템.
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