KR20050027088A - 제어 가능한 전자기 압축 스프링으로서 선형 음성 코일액추에이터 - Google Patents

Abstract

필드 어셈블리(24) 및 상기 필드 어셈블리와 상호 작용하도록 위치하고 이 필드 어셈블리에 상대적으로 이동하는 코일 어셈블리(22)를 갖는, 스프링으로서 제어 가능한 선형 액추에이터가 개시되어 있다. 이 필드 어셈블리는 축을 갖는 연자성 하우징(111); 축상으로 자화된 원통형 자석들(14, 17); 및 원통형 자석들 및 축을 따라 위치하는 연자극 피스들을 교대시키는 스택을 형성하는 연자극 피스들(12, 15)을 포함한다. 상기 코일 어셈블리는 코일 캐비티를 갖는 코일 베이스(19); 상기 코일 캐비티 내에서 지지되는 코일들(13, 16); 및 상기 코일 베이스 상에 위치하는 축상으로 자화된 영구 자석을 포함함으로써 상기 축상으로 자화된 영구 자석(18)은 상기 연자성 하우징의 축을 따라 이동하도록 위치된다. 상기 코일 어셈블리가 탈에너지화될 때 상기 코일 어셈블리와 상기 필드 어셈블리 사이에 반발력이 발생되고, 이 반발력은 코일 어셈블리가 에너지화될 때 변형된다.

Description

제어 가능한 전자기 압축 스프링으로서 선형 음성 코일 액추에이터{Linear voice coil actuator as a controllable electromagnetic compression spring}

본 발명은 2002년 4월 2일자로 출원된 가특허 출원 제60/369,401호로부터 35U.S.C. §119(e)에 의거한 우선권을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 선형 음성 코일 액추에이터들에 관한 것이며, 보다 상세하게는 제어 가능한 전자기 압축 스프링들로서 작동하는 선형 음성 코일 액추에이터들에 관한 것이다.

예를 들면 도 1에서 반쪽 수직 단면도로 나타낸 전형적인 선형 음성 코일 액추에이터(1)는 필드 어셈블리(2) 및 코일 어셈블리(3)로 구성된다. 필드 어셈블리(2)는 축상으로 자화된 원통형 자석(4), 연자극 피스(5) 및 연자성 하우징(6)으로 구성된다. 코일 어셈블리(3)는 코일 베이스(7)의 원형 캐비티 내에 위치한 코일(8)로 구성된다. 코일 어셈블리(3)는 탈에너지화될 때 진행될 바람직한 위치를 갖지 않는다. 다른 한편, 탈에너지화된 후, 코일이 필드 어셈블리로부터 벗어나 이동해야 하는 경우, 반발력을 제공하는 일부 종류의 특징부가 존재해야 한다. 이러한 반발력은 전형적으로 기계적 스프링에 의해 제공된다. 따라서, 반발력의 특성들의 예측 가능성은 스프링의 기계적 특성들의 변화들에 의존하고 그에 종속된다. 따라서, 기계적 스프링의 기계적 특성들의 변화들에 종속되지 않는 반발력을 갖는 선형 음성 코일 액추에이터를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은 액추에이터 내에서 코일들 내의 전류에 의해 제어되는 전자기 압축 스프링으로서 고려될 수 있는 선형 액추에이터를 제공한다. 이 액추에이터 특징부가 사용될 때, 반발력을 제공하기 위해 기계적 스프링을 사용할 필요가 없다.

본 발명은 필드 어셈블리 및 이 필드 어셈블리와 상호 작용하도록 위치하고 필드 어셈블리에 상대적으로 이동하는 코일 어셈블리를 포함하는 선형 액추에이터를 특징으로 하고, 여기서 필드 어셈블리는 연자성 하우징, 이 하우징 내에서 그의 축을 따라 위치하고 적어도 하나의 연자극 피스에 의해 상호 분리되어 공간 배치된 복수개의 축상으로 자화된 원통형 자석들을 포함하고, 코일 어셈블리는 코일 캐비티 및 코일 캐비티 내에 위치하는 코일을 갖는 코일 베이스 및 코일 베이스 상에 위치하는 축상으로 자화된 영구 자석을 포함함으로써 축상으로 자화된 영구 자석은 하우징의 축을 따라 이동하도록 위치된다.

본 발명의 다른 특징은 코일 어셈블리가 탈에너지화될 때 코일 어셈블리와 필드 어셈블리 사이에 반발력이 발생되고, 상기 필드 어셈블리의 연자성 하우징은 발생되는 반발력의 양에 영향을 미치는 연자극 피스에 상대적인 돌출부를 갖는 것이다.

본 발명의 다른 특징은 코일 어셈블리가 탈에너지화될 때 코일 어셈블리와 필드 어셈블리 사이에 반발력이 발생되고, 이 반발력의 크기는 코일 어셈블리가 에너지화될 때 변형될 수 있고, 추가로 상기 필드 어셈블리의 연자성 하우징은 발생되는 반발력의 크기에 영향을 미치는 연자극 피스에 상대적인 돌출부를 갖는 것이다.

본 발명의 일 실시예의 또 다른 특징은 공급된 상기 반발력이 코일 어셈블리가 하나의 레벨로 에너지화될 때 제1 방향을 갖고, 코일 어셈블리가 다른 레벨로 에너지화될 때 제1 방향과 반대인 제2 방향을 갖는다.

또한, 본 발명은 필드 어셈블리 및 이 필드 어셈블리와 상호 작용하도록 위치하고 필드 어셈블리에 상대적으로 이동하는 코일 어셈블리를 포함하는 선형 액추에이터를 특징으로 하고, 여기서 필드 어셈블리는 연자성 하우징, 복수개의 축상으로 자화된 원통형 자석들 및 원통형 자석들과 자극 피스들을 교대시키는 스택을 형성하는 복수개의 연자극 피스들을 포함한다. 이 스택은 연자성 하우징 내에서 그의 축을 따라 위치함으로써, 자석들 중의 하나는 연자성 베이스에 반하여 위치하고, 자극 피스의 하나는 스택의 자유 단부에 배치된다. 코일 어셈블리는 코일 캐비티들 및 코일 캐비티 내에 지지된 복수개의 코일들을 갖는 코일 베이스 및 이 코일 베이스 상에 위치하는 축상으로 자화된 영구 자석을 포함함으로써 축상으로 자화된 영구 자석은 연자성 하우징의 축을 따라 이동하도록 위치된다.

본 발명의 이들 및 기타 장점들 및 특징들은 본 발명의 특정한 바람직한 실시예들의 다음 상세한 설명 및 수반되는 도면들을 고려함에 따라 보다 용이하게 이해될 것이다.

도면의 간단한 설명

도 1은 반쪽 수직 단면도로 나타낸 전형적인 선형 음성 코일 액추에이터의 도면을 제공하고,

도 2는 본 발명에 따른 선형 음성 코일 액추에이터의 변형의 일 실시예를 반쪽 수직 단면으로 나타내며,

도 3은 상이한 수의 암페어-횟수들로 본 발명의 액추에이터의 힘 대 스트로크 특성들의 일가를 나타내는 도면이다.

본원의 선형 음성 코일 액추에이터는 그것이 그의 코일들 내의 전류들에 의해 제어되는 전자기 압축 스프링으로서 작동할 수 있도록 하는 반발력을 제공한다. 도 2를 참조하면, 반쪽 수직 단면도로 나타낸 것은 예를 들면, 본원의 양수인인 BEI 일렉트로닉스, 인크에게 양도된 미합중국 특허 제5,345,206호에 개시된 디자인의 개질된 버전이다. 미합중국 특허 제5,345,206은 본원에 참조 문헌으로 인용한다. 이와 같이 개질된 디자인(10)에서, 코일 어셈블리(22)는 추가의 소자: 즉 코일 베이스(9)에 부착된 축상으로 자화된 영구 자석(18)을 갖는다. 선형 음성 코일 액추에이터(10)는 충분히 알맞은 위치에 나타낸다. 이러한 영구 자석(18) 때문에, 코일 어셈블리(22)는 (코일들(13 및 16)을 포함하는) 와인딩이 에너지화되지 않는 한 필드 어셈블리(24)로부터 (우측으로) 벗어나 이동하는 경향이 있다.

코일 어셈블리(22)가 이동하는 거리는 스트로크의 함수로서 반발력과 시스템 내의 마찰 간의 관계에 의해 결정된다. 따라서, 양극 스톱(도시되지 않음)이 제공되어야 하거나 또는 시스템 자체가 모션을 제한하지 않아야 한다.

주어진 위치에 대한 액추에이터(10)의 반발력은 여러 변수들: 즉, 자석(18)의 두께, 그의 내부 및 외부 직경들, 연자극(17)에 상대적인 연자성 하우징(11)의 돌출부(20)의 양에 의해서 및 일반적으로 액추에이터의 기하학에 의해서 및 그러한 액추에이터의 자성 회로가 구축되는 연자성 및 경성 자성 물질들의 특징들에 의해 영향받는다.

코일들이 에너지화될 때, 코일 어셈블리(22)는 코일들(13 및 16) 내의 전류와 축상으로 자화된 영구 자석들(12 및 15)에 의해 발생된 자기장의 상호 작용에 의해 생성된 힘이 추가의 영구 자석(18)에 의해 생성된 반발력 이하인 한 충분히-외부 위치에 남겨질 것이다. 일단 이러한 힘이 반발력보다 커지는 경우, 코일 어셈블리는 필드 어셈블리 내로 이동할 것이다.

위 단락에서 예시한 바와 같이, 도 3은 상이한 수의 암페어-횟수들로 본 발명의 액추에이터(10)의 힘 대 스트로크 특성들의 일가를 나타낸다. 도 3으로부터 인식할 수 있듯이, 액추에이터(10)의 코일 어셈블리(22)가 에너지화되지 않을 때(0 A-T), 스트로크 위치 0mm에서 힘은 13의 값을 갖는 한편, 스트로크 위치 1mm에서 힘은 10.2로 감소되었다. 마찬가지로, 코일 어셈블리(22)가 80A-T로 에너지화될 때, 스트로크 위치 0mm에서 힘은 6.51이고, 스트로크 위치 1mm에서 3.65로 감소된다. 따라서, 액추에이터(10)는 코일 어셈블리(22)에 대해 이동 단부에서, 및 적어도 이동 시작 지점에서 최대인 힘을 갖는 압축 스프링과 같이 작용한다. 코일 어셈블리(22)에 인가된 큰 값의 암페어-횟수들, 예를 들면 160A-T 또는 175A-T에 대해, 액추에이터(10)는 코일 어셈블리가 반대 방향으로 이동하도록 유발하는 힘을 공급하도록 작용하는 것을 알 수 있다.

도 3으로부터 인식할 수 있듯이, 본 발명의 액추에이터의 용도들 중의 하나는 밸브에서 이루어질 수 있다. 코일들이 에너지화되지 않을 때, 밸브는 (예, 1mm 스트로크 위치로) 폐쇄되고, 액추에이터는 밸브를 폐쇄되게 유지하기 위해 10.2N의 힘을 인가한다. (영구 자석(18) 때문에 액추에이터 내에 존재하는) 반발력을 극복하기 위해 와인딩 (즉, 특정 수의 암페어-횟수들) 내에 특정 량의 전류를 취하고, 그에 따라 밸브를 개방한다. 예를 들면, 도 3의 액추에이터에 대해, 스트로크(1-mm 위치에서 0-mm 위치) 전반에 밸브를 개방되게 유지하기 위해 인가될 수 있는 최소 암페어-횟수들은 160이다.

요약하자면, 본 발명은 코일들 내의 전류에 의해 제어된 전자기 압축 스프링으로서 고려될 수 있는 액추에이터를 제공한다. 이러한 액추에이터 특징부가 사용될 때, 기계적 스프링을 사용할 필요가 없다.

본원 명세서에 사용된 용어들 및 표현들은 제한시키고자 함이 아니라 설명하기 위한 것으로, 그러한 용어들 및 표현들에 있어서 도시되고 기재된 특징부들 또는 그의 일부들의 등가물들을 배제하려는 의도는 없으며, 여러 가지 변형들이 특허 청구된 바의 본 발명의 범위 내에서 가능한 것으로 인지되고 있다.

Claims (12)

1. 스프링으로서 제어 가능한 선형 액추에이터에 있어서,

   필드 어셈블리; 및

   상기 필드 어셈블리와 상호 작용하도록 위치하고 이 필드 어셈블리에 상대적으로 이동하는 코일 어셈블리를 포함하고,

   상기 필드 어셈블리는,

   연자성 하우징; 및

   상기 연자성 하우징 내에서 그의 축을 따라 위치하고 적어도 하나의 연자극 피스에 의해 상호 분리되어 공간 배치된 복수개의 축상으로 자화된 원통형 자석들을 포함하고,

   상기 코일 어셈블리는,

   코일 캐비티 및 상기 코일 캐비티 내에 위치하는 코일을 갖는 코일 베이스; 및

   상기 축상으로 자화된 영구 자석이 상기 연자성 하우징의 축을 따라 이동하도록 위치되도록, 상기 코일 베이스 상에 위치하는 축상으로 자화된 영구 자석을 포함하는 선형 액추에이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 코일 어셈블리가 탈에너지화될 때 상기 코일 어셈블리와 상기 필드 어셈블리 사이에 반발력이 발생되고, 상기 필드 어셈블리의 연자성 하우징은 발생되는 반발력에 영향을 미치는 연자극 피스에 상대적인 돌출부를 추가로 포함하는 선형 액추에이터.
3. 제1항에 있어서, 상기 코일 어셈블리가 탈에너지화될 때 상기 코일 어셈블리와 상기 필드 어셈블리 사이에 반발력이 발생되고, 이 반발력은 코일 어셈블리가 에너지화될 때 변형되고, 추가로 상기 필드 어셈블리의 연자성 하우징은 상기 발생된 반발력 및 상기 변형된 반발력에 영향을 미치는 연자극 피스에 상대적인 돌출부를 포함하는 것인 선형 액추에이터.
4. 제3항에 있어서, 상기 변형된 반발력은 상기 코일 어셈블리가 하나의 레벨로 에너지화될 때 제1 방향을 갖고, 상기 코일 어셈블리가 다른 레벨로 에너지화될 때 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향을 갖는 것인 선형 액추에이터.
5. 스프링으로서 제어 가능한 선형 액추에이터에 있어서,

   필드 어셈블리; 및

   상기 필드 어셈블리와 상호 작용하도록 위치하고 이 필드 어셈블리에 상대적으로 이동하는 코일 어셈블리를 포함하고,

   상기 필드 어셈블리는,

   베이스를 갖는 연자성 하우징과;

   복수개의 축상으로 자화된 원통형 자석들; 및

   원통형 자석들 및 연자극 피스들을 교대시키는 스택을 형성하기 위해 원통형 자석들에 관하여 배치된 복수개의 연자극 피스들을 포함하고, 여기서, 상기 스택은 연자성 하우징 내에서 그의 축을 따라 위치함으로써, 원통형 자석들 중의 하나는 연자성 하우징의 베이스에 반하여 위치하고, 연자극 피스들 중의 하나는 스택의 자유 단부에 배치고;

   상기 코일 어셈블리는,

   코일 캐비티를 갖는 코일 베이스와;

   상기 코일 캐비티 내에서 지지되는 복수개의 코일들; 및

   상기 축상으로 자화된 영구 자석이 상기 연자성 하우징의 축을 따라 이동하도록, 상기 코일 베이스 상에 위치하는 축상으로 자화된 영구 자석을 포함하는 선형 액추에이터.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선형 액추에이터는 밸브 내에 위치하는 선형 액추에이터.
7. 전자기 압축 스프링으로서 작동 가능한 선형 음성 코일 액추에이터에 있어서,

   축을 따라 위치하는 제1 영구 자석을 포함하는 필드 어셈블리; 및

   베이스, 상기 축을 따라 이동하고 상기 제1 영구 자석과 상호 작용하도록 상기 베이스 상에 위치하는 제2 영구 자석 및 상기 제1 영구 자석과 상호 작용하도록 상기 코일 어셈블리 상에 위치하는 제1 코일을 포함하는 선형 음성 코일 액추에이터.
8. 제7항에 있어서, 상기 필드 어셈블리는 베이스를 갖는 연자성 하우징, 제3 영구 자석 및 상기 하우징 내에서 상기 축을 따라 상기 베이스 상에 위치하는 스택을 형성하기 위해 상기 제1 영구 자석과 상기 제3 영구 자석과 교대로 위치하는 제1 및 제2 연자극 피스들을 포함하고;

   상기 코일 어셈블리는 상기 제1 영구 자석과 상호 작용하도록 상기 제1 코일을 지지하고, 상기 스택의 자유 단부에 관하여 상기 제2 영구 자석을 지지하는 코일 베이스를 포함하고, 추가로 제3 영구 자석과 상호 작용하도록 지지되는 제2 코일을 포함하는 선형 음성 코일 액추에이터.
9. 제7항에 있어서, 상기 필드 어셈블리는 상기 제1 영구 자석 상에 위치하는 자극 피스 및 상기 제1 영구 자석 및 자극 피스를 지지하는 연자성 하우징을 추가로 포함하고, 상기 코일 어셈블리가 탈에너지화될 때 상기 코일 어셈블리와 상기 필드 어셈블리 사이에 발생된 반발력에 영향을 미치는 연자극 피스에 상대적인 돌출부를 갖는 선형 음성 코일 액추에이터.
10. 제7항에 있어서, 상기 코일 어셈블리가 탈에너지화될 때 상기 코일 어셈블리와 상기 필드 어셈블리 사이에 반발력이 발생되고, 이 반발력은 코일 어셈블리가 에너지화될 때 변형되고, 추가로 상기 필드 어셈블리는 상기 발생된 반발력 및 상기 변형된 반발력에 영향을 미치는 상기 제1 영구 자석 상에 위치하는 연자극 피스에 상대적인 돌출부를 갖는 연자성 하우징을 포함하는 선형 음성 코일 액추에이터.
11. 제10항에 있어서, 상기 변형된 반발력은 상기 코일 어셈블리가 하나의 레벨로 에너지화될 때 제1 방향을 갖고, 상기 코일 어셈블리가 다른 레벨로 에너지화될 때 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향을 갖는 선형 음성 코일 액추에이터.
12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선형 액추에이터는 밸브 내에 위치하는 선형 음성 코일 액추에이터.