KR20150131393A - 액츄에이터 디바이스 - Google Patents

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안드레아스 괴데케
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Abstract

본 발명은, 드라이브 유닛(drive unit)(3) 및 출력 유닛(output unit)(19)을 갖는 액츄에이터 디바이스(actuator device)(1)에 관한 것이다. 상기 출력 유닛(19)은 제 1 출력부(7)를 갖는 제 1 병진운동 유닛(translation unit)(15) 및 파이프라인 시스템(pipeline system)을 통해 제 1 병진운동 유닛(15)에 유체 공학적으로 연결되며 제 2 출력부(8)를 갖는 제 2 병진운동 유닛(16)을 포함한다. 드라이브 유닛(3)은 파이프라인 시스템(27)에 유체 공학적으로 연결된다. 출력부(7, 8)들을 편향시키기 위해서, 드라이브 유닛(3)에 의해 제 1 병진운동 유닛(15)과 제 2 병진운동 유닛(16) 사이에서 유체가 교환될 수 있다. 제 1 병진운동 유닛(15) 및 제 2 병진운동 유닛(16) 각각은 프리클램핑(preclamping) 요소(12, 25)를 갖는다. 본 발명에 따르면, 상기 프리클램핑 요소(12, 25)들은 이동가능하게 장착된 클램핑(clamping)(4)에 대하여 반대 방향으로 지지된다.

Description

액츄에이터 디바이스 {ACTUATOR DEVICE}
본 발명은 액츄에이터 디바이스(actuator device)에 관한 것이다.
액츄에이터 디바이스들은 공지되어 있다. 이 디바이스들은 통상적으로, 규정된 범위에서 요구되는 편향(deflection)을 실현하는 임무를 갖는다. 이를 위해, 액츄에이터 디바이스는 전방 및 후방 양자 모두의 이동을 가능하도록 해야 한다. 양방향들의 이동을 보장하기 위해서, 액츄에이터 디바이스에 포함되는 유압 액체는 프리스트레스(prestressed)되어야 한다. 이러한 프리스트레스(prestress)는 공지된 액츄에이터 디바이스들의 편향과 함께 변한다. 이는, 가능한 최대 편향을 제한하는 압력 차이 및 일관성없는(inconsistent) 힘 발생을 유발한다.
본 발명은 이러한 문제점들을 제거하고 개선된 액츄에이터 디바이스를 제공하는 목적을 기초로 한다.
이 목적은 청구항 1에서 청구된 바와 같은 액츄에이터 디바이스를 통해 성취된다. 본 발명의 유리한 개선예들은 종속항들에서 특정되며 상세한 설명에서 설명된다.
본 발명에 따른 액츄에이터 장치는 드라이브 유닛(drive unit) 및 출력 유닛(output unit)을 갖는다. 상기 출력 유닛은 제 1 출력부를 갖는 제 1 병진운동(translation) 유닛 및 제 2 출력부를 갖는 제 2 병진운동 유닛을 포함하며, 제 2 병진운동 유닛은 라인 시스템(line system)을 통해 제 1 병진운동 유닛에 유체 공학적으로 연결된다. 드라이브 유닛은 라인 시스템에 유체 공학적으로 연결된다. 출력부들을 편향시키기 위해서, 제 1 병진운동 유닛과 제 2 병진운동 유닛 사이의 드라이브 유닛에 의해 유체가 교환될 수 있다. 제 1 병진운동 유닛과 제 2 병진운동 유닛은 각각의 경우에 하나의 프리스트레싱(prestressing) 요소를 갖는다. 본 발명에 따르면, 상기 프리스트레싱 요소들은 이동가능하게 장착된 클램핑(clamping) 수단에 대해 반대 방향으로 지지된다.
클램핑 수단의 이동가능한 장착의 결과로서, 상기 구성요소는 2 개의 출력부들을 통해 이동된다. 그 결과, 유리하게는, 2 개의 프리스트레싱 요소들 사이에서 어떠한 힘의 차이도 발생되지 않는다. 이에 따라, 유체 챔버들에서의 압력들은, 스트로크(stroke)에 관계없이 일정하게 유지된다. 그 결과, 첫 번째로, 유체의 압력 차이가 변화되지 않기 때문에, 액츄에이터 디바이스의 힘이 편향에 관계없이 유지될 수 있다. 두 번째로, 이에 따라 최대 스트로크가 또한 상당히 증가될 수 있다.
본 발명에 따른 액츄에이터 디바이스의 하나의 유리한 개량예에 따르면, 제 1 병진운동 요소 및 제 2 병진운동 요소는 동일한 치수들의 유압 횡단면을 갖는다.
그 결과, 2 개의 출력부들의 편향들은 동일한 이동거리(travel)들을 갖는다. 이에 따라, 클램핑 수단은 2 개의 출력부들의 편향들에 대해 균일하게 이동한다.
본 발명에 따른 액츄에이터 디바이스의 추가의 유리한 개량예에서, 제 1 프리스트레싱 요소 및 제 2 프리스트레싱 요소는 동일한 프리스트레싱 힘을 갖는다. 게다가, 제 1 프리스트레싱 요소 및 제 2 프리스트레싱 요소는 바람직하게는 동일한 스프링 상수(spring rate)를 갖는다.
그 결과, 양방향들로 동일한 특성들을 갖는 대칭 시스템이 획득된다. 이에 따라, 모듈로 액츄에이터 디바이스의 사용이 단순화된다.
본 발명에 따른 액츄에이터 디바이스의 추가의 유리한 개량예에서, 제 1 병진운동 요소 및/또는 제 2 병진운동 요소는 유압 실린더(hydraulic cylinder)이다.
유압 실린더들은 유리하게는 매우 낮은 길이방향 강성(stiffness)을 가지며, 이에 따라 프리스트레싱 요소들의 스프링 상수들에 영향을 미치지 않는다. 게다가, 유압 실린더들은 오랜 편향들을 위해 설계될 수 있다.
본 발명에 따른 액츄에이터 디바이스의 대체의 유리한 개량예에서, 제 1 병진운동 요소 및/또는 제 2 병진운동 요소는 벨로우즈(bellows)이다. 여기서, 벨로우즈는, 유리하게는 금속 벨로우즈 또는 다이어프램(diaphragm) 벨로우즈이며, 상기 벨로우즈는 동일한 스프링 상수를 갖는다.
높은 시스템 기밀함(high system tightness)이 벨로우즈, 특히 금속 벨로우즈를 통해 비교적 간단하게 성취될 수 있다. 게다가, 벨로우즈는 비교적 낮은 중량을 갖는다.
본 발명에 따른 액츄에이터 디바이스의 추가의 유리한 개량예에서, 유체 챔버(fluid chamber)들 및 유체 라인들에는 유압 액체가 완전 충전된다.
이에 따라, 유체는 실질적으로 비압축성이며(incompressible), 액츄에이터 디바이스의 균일한 작동이 시스템에서의 상이한 고압에서도 확보된다.
본 발명의 예시적 실시예들은 도면들 및 하기 설명을 사용하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 액츄에이터 디바이스를 도시한다.
도 2 내지 도 4는 액츄에이터 디바이스의 병진운동 유닛들을 다양한 개선예들로 도시한다.
도 1은 예시로서 본 발명에 따른 액츄에이터 디바이스(actuator device)(1)를 좌표계(coordinate system)(13)로 윤곽을 나타낸다. 도시된 액츄에이터 디바이스(1)는 드라이브 유닛(drive unit)(3) 및 제 1 유체 라인(fluid line)(18)에 의해 유체 전달 방식으로 드라이브 유닛(3)에 연결되는 출력 유닛(output unit)(19)을 포함한다.
드라이브 유닛(3)은 액츄에이터(2) 및 드라이브 요소(20)를 포함한다. 드라이브 요소(20)는 드라이브 유체 챔버(drive fluid chamber)(17)를 갖는다.
액츄에이터(2)는, 예컨대, 압전(piezoelectric) 액츄에이터(2) 또는 자기저항(magnetoresistive) 액츄에이터(2)일 수 있다. 드라이브 유닛(3)은, 드라이브 유체 챔버(17)의 용적(volume)의 규모가 액츄에이터(2)의 편향(deflection)에 의해 영향을 받을 수 있도록 구성된다.
이를 위해, 액츄에이터(2)는 적어도 가압(pressing) 방향으로 논-포지티브(non-positive) 방식으로 드라이브 요소(20)에 연결된다. 또한, 액츄에이터(2)는 포지티브 잠금(positive locking) 방식으로 드라이브 요소(20)에 연결될 수 있다. 또한, 액츄에이터는 가압 방향에 대한 반대 방향으로, 즉 당김(pulling) 방향으로 논-포지티브 방식으로 드라이브 요소(20)에 연결될 수 있다. 여기서, 가압 방향은 액츄에이터(2)의 편향 방향을 나타낸다.
도 1에 도시된 방식으로, 가압력(pressing force)이 액츄에이터(2)의 편향 증가를 통해 드라이브 요소(20)에 부과된다. 드라이브 유체 챔버(17)의 용적은, 액츄에이터(2)의 편향 증가를 통해 감소된다. 드라이브 유체 챔버(17)의 용적은, 적어도 액츄에이터(2)의 편향 감소를 통해 증가될 수 있다. 당김 방향으로 드라이브 요소(20)에 액츄에이터(2)를 논-포지티브 연결하는 경우, 드라이브 유체 챔버(17)의 용적은, 액츄에이터(2)의 편향 감소를 통해 증가된다. 또한, 액츄에이터(2)의 편향과 드라이브 유체 챔버(17)의 용적 사이의 관계는, 원칙적으로는, 드라이브 요소(20)에서의 방향 변화를 통해 역전될 수 있다.
예컨대, 드라이브 요소(20)는, 피스톤(piston), 벨로우즈(belows) 특히 금속 벨로우즈 또는 다른 다이어프램(diaphragm) 벨로우즈를 갖는 유압 실린더(hydraulic cylinder)일 수 있다. 도 1은 일례로서 드라이브 요소(20)로서 유압 실린더(20)를 도시하며, 액츄에이터(2)는 논-포지티브 방식으로 그의 피스톤에 연결된다.
드라이브 유체 챔버(17)는 제 1 유체 라인(18)에 접해 있다(adjoined). 드라이브 유체 챔버(17)의 용적이 감소하는 경우, 드라이브 유체 챔버(17)에 위치되는 유체는, 제 1 유체 라인(18)을 통해 출력 유닛(output unit)(19)으로 유동한다. 드라이브 유체 챔버(17)의 용적이 증가하는 경우, 유체는 드라이브 유체 챔버(17) 내로 유동할 수 있다.
출력 유닛(19)은 제 1 병진운동(translation) 유닛(15) 및 제 2 병진운동 유닛(16)을 갖는다. 제 1 병진운동 유닛(15)은 제 2 병진운동 유닛(16)을 통해 유체 공학적으로(fluidically) 연결된다.
제 1 병진운동 유닛(15)은 출력 유체 챔버(11), 제 1 병진운동 요소(14), 제 1 출력부(7) 및 제 1 프리스트레싱(prestressing) 요소(12)를 갖는다. 게다가, 제 2 병진운동 유닛(16)은 보유(reserve) 유체 챔버(9), 제 2 병진운동 요소(24), 제 2 출력부(8) 및 제 2 프리스트레싱 요소(25)를 갖는다.
도 1에 도시된 실시예에서, 제 1 병진운동 요소(14) 및 제 2 병진운동 요소(24)는, 유압 실린더(14, 24)들로서 구성되며, 프리스트레싱 요소(12, 25)들은 나선형 스프링(helical spring)(12, 25)들로서 구성된다. 관습적으로, 유압 실린더(14, 24)들은 변위가능한 피스톤을 갖는다. 여기서, 피스톤은 각각의 경우에 출력부(output)(7, 8)를 형성한다. 유체 챔버(11, 9)들의 용적은, 각각의 경우에 출력부(7, 8)들의 위치에 따라 판정되고, 또는 출력부(7, 8)들의 편향은 각각의 경우에 유체 챔버(11, 9)들의 용적에 종속된다. 각각의 경우에, 프리스트레싱 요소(12, 25)들은 출력부(7, 8)들 상에서, 여기서는 피스톤(7, 8) 상에서 프리스트레스를 부과한다.
본 발명에 따르면, 제 1 프리스트레싱 요소(12) 및 제 2 프리스트레싱 요소(25)는 공통 클램핑(clamping) 수단(4) 상에 양자 모두가 지지된다. 이를 위해, 프리스트레싱 요소(12, 25)들은 실질적으로 대향 방식(opposed manner)으로 배열된다. 프리스트레싱 요소(12, 25)들은 단일선(one line)으로 작업한다. 클램핑 수단(4)은 강성이 있으며 자유롭게 이동될 수 있다. 클램핑 수단(4)은 부동(floating) 방식으로 장착된다. 프리스트레싱 요소(12, 25)들은, 제 1 프리스트레싱 요소(12)에 부과된 힘과 제 2 프리스트레싱 요소(25)에 부과된 힘 사이에 힘의 평형(force equilibrium)이 발생되는 방식으로 서로에 대하여 작용한다. 클램핑 수단(4)은 출력부(7, 8)들의 편향 방향들로 이동될 수 있다. 클램핑 수단(4)은 출력부(7, 8)들과 함께 이동한다.
제 1 병진운동 유닛(15)의 출력 유체 챔버(11)는, 라인 시스템(line system)(27)에 의해서 제 2 병진운동 유닛(16)의 보유 유체 챔버(9)에 유체 공학적으로 연결된다. 제 2 유체 라인(21) 및 제 3 유체 라인(22)이 서로에 대해 병렬로 배열되며 제 4 유체 라인(26)은 제 2 및 제 3 유체 라인(21, 22)에 대해 직렬로 배열되도록, 라인 시스템이 구성된다. 흡기 체크 밸브(suction check valve)(6)가 제 2 유체 라인(21)에 배열된다. 전달 체크 밸브(delivery check valve)(5)는 제 3 유체 라인(22)에 배열된다. 흡기 체크 밸브(6)는 흡기 방향으로 폐쇄하며, 전달 체크 밸브(5)는 흡기 방향에 대향 방식으로 전달 방향으로 폐쇄한다. 체크 밸브(5, 6)들은 서로에 대해 대향 방식으로 배열된다. 체크 밸브(5, 6)들은, 각각의 경우에 일방향으로 개방하며; 흡기 체크 밸브(6)는 전달 방향으로 개방하며 전달 체크 밸브(5)는 흡기 방향으로 개방한다. 체크 밸브(5, 6)들은 프리스트레스를 받으며, 그 결과 단지 규정된 우세한 압력(prevailing pressure)을 초과할 때만, 개방이 발생한다. 제 1 유체 라인(18)은, 커플링 포인트(coupling point)(23)에서 제 4 유체 라인(26)에 유체 공학적으로 연결된다.
도 1에 따른 예시적 실시예에서, 제 2 유체 라인(21)은 출력 유체 챔버(11)에 배열되며, 제 4 유체 라인(26)은 보유 유체 라인(9)에 배열된다.
제 4 유체 라인(26)에는, 제 4 유체 라인(26)의 단면을 제약하는 스로틀(throttle)(10)이 추가로 제공될 수 있다.
유체 챔버(9, 11, 17)들 및 유체 라인(18, 21, 22, 26)들에는 유체, 특히 유압 액체, 이를 테면 실리콘 오일(silicone oil) 또는 글리세린(glycerin)이 충전된다.
유체는 드라이브 유닛(3)의 전후방 운동들에 의해서 제 1 병진운동 유닛(15) 및 제 2 병진운동 유닛(16) 사이에서 교환될 수 있다. 출력부(7, 8)들은 이렇게 하여 편향된다. 액츄에이터(2)의 편향이 실행되는 속도에 따라, 유체는 보유 유체 챔버(9)로부터 출력 유체 챔버(11) 내로 또는 출력 유체 챔버(11)로부터 보유 유체 챔버(9) 내로 역방향으로 안내될 수 있다.
제 2 또는 제 3 유체 라인(21, 22)을 통해 유체를 안내하기 위해서는, 제 4 유체 라인(26)을 통해 유체를 안내하는 것보다 프리스트레스된 체크 밸브(5, 6)들 때문에 더 높은 우세 압력이 필요하다. 본 발명의 맥락에서, 우세한 압력은 밸브의 유입구측과 유출구측 사이의 압력 차이를 의미한다. 우세한 압력은 액츄에이터(2)의 편향 속도와 함께 상승한다.
도 2 내지 도 4는 각각의 경우에 제 1 병진운동 유닛(15)의 예를 사용하는 병진운동 유닛(15, 16)들의 설계 변형예들을 도시한다. 출력부(7)는 프리스트레싱 유닛(12)에 의해 프리스트레스된다. 프리스트레싱 유닛(12)은 클램핑 수단(4) 상에 지지된다. 출력 유체 챔버(17)의 대응하는 용적 변화(ΔV)는 거리(Δs)만큼 출력부(7)의 이동을 동반한다. 유체 질량 흐름(mass flow)이 유체 라인(21)을 통해 발생한다.
도 1과 같이, 도 2는 병진운동 유닛(15)으로서 유압 실린더를 도시한다. 유압 실린더의 피스톤이 출력부(7)이다.
도 3에서, 병진운동 유닛(15)은 금속 벨로우즈이며, 도 4에서 병진운동 유닛(15)은 다이어프램 벨로우즈이다. 여기서, 출력부(7)는 각각의 경우에 벨로우즈에 대항하여 지탱하는 피스톤(7)에 의해 형성된다.
본 발명이 바람직한 예시적 실시예를 통해 보다 상세하게 예시 및 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예시들에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 보호 범주로부터 벗어나지 않고, 당업자에 의해서 다른 변경예들이 이로부터 유도될 수 있다.

Claims (8)

  1. 드라이브 유닛(drive uint)(3) 및 출력 유닛(output unit)(19)을 갖는 액츄에이터 디바이스(actuator device)(1)로서,
    상기 출력 유닛(19)은 제 1 출력부(7)를 갖는 제 1 병진운동(translation) 유닛(15) 및 제 2 출력부(8)를 갖는 제 2 병진운동 유닛(16)을 가지며, 상기 제 2 병진운동 유닛(16)은 라인 시스템(line system)(27)을 통해 제 1 병진운동 유닛(15)에 유체 공학적으로 연결되며, 상기 드라이브 유닛(3)은 라인 시스템(27)에 유체 공학적으로 연결되며, 제 1 병진운동 유닛(15)과 제 2 병진운동 유닛(16) 사이에서 드라이브 유닛(3)에 의해 유체가 교환되는 것이 가능하여 각각의 경우에 하나의 프리스트레싱(prestressing) 요소(12, 25)를 갖는 출력부(7, 8)들, 제 1 병진운동 유닛(15) 및 제 2 병진운동 유닛(16)을 편향시키는, 액츄에이터 디바이스에 있어서,
    상기 프리스트레싱 요소(12, 25)들은 이동가능하게 장착되는 클램핑(clamping) 수단(4)에 대하여 반대 방향들로 지지되는 것을 특징으로 하는,
    액츄에이터 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 병진운동 요소(14) 및 제 2 병진운동 요소(24)는 동일한 치수들의 유압 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는,
    액츄에이터 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 프리스트레싱 요소(12) 및 제 2 프리스트레싱 요소(25)는 동일한 스프링 상수(spring rate)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    액츄에이터 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 프리스트레싱 요소(12) 및 제 2 프리스트레싱 요소(25)는 동일한 프리스트레싱 힘을 갖는 것을 특징으로 하는,
    액츄에이터 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 병진운동 요소(14) 및/또는 제 2 병진운동 요소(24)는 유압 실린더(hydraulic cylinder)(14, 24)인 것을 특징으로 하는,
    액츄에이터 디바이스.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 병진운동 요소(14) 및/또는 제 2 병진운동 요소(24)는 벨로우즈(bellows)(14, 24)인 것을 특징으로 하는,
    액츄에이터 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 벨로우즈(14, 24)는 금속 벨로우즈(14, 24) 또는 다이어프램(diaphragm) 벨로우즈(14, 24)이며, 상기 벨로우즈(14, 24)는 동일한 스프링 상수를 갖는 것을 특징으로 하는,
    액츄에이터 디바이스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 챔버(9, 11, 17)들 및 유체 라인(18, 21, 22)들에는 유압 액체가 완전하게 충전되는 것을 특징으로 하는,
    액츄에이터 디바이스.
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