KR20210082220A - 발리스틱 단극성 쌍 안정 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극성의 변화 없이 펄스 전기 제어로 두 개의 안정 위치들 사이에서 요소의 이동을 제어하는 액추에이터에 관한 것으로서, 강자성 이동체(2), 상기 이동체(2)에 대해 고정된 적어도 하나의 전기 제어 와이어 코일(6, 6a, 6b), 및 상기 이동체(2)의 양측에서 상기 이동체(2)에 대해 고정된 적어도 두 개의 강자성 극들(15a, 15b)을 포함한다. 상기 액추에이터는 두 개의 안정 위치들을 달성하기 위해 상기 이동체(2)를 끌어당기는 적어도 하나의 영구 자석(3a, 3b)을 포함하며, 상기 이동체(2)는 상기 이동체의 이동 중에 상기 강자성 극들(15a, 15b)과 함께 적어도 두 개의 가변 에어 갭들(11a, 11b, 12a, 12b)을 형성하고, 상기 영구 자석(3a, 3b)의 자속은 이동체(2)의 위치와 관계 없이 적어도 하나의 상기 코일(6, 6a, 6b)에 의해 생성된 자속과 반대되는 것을 특징으로 한다.

Description

발리스틱 단극성 쌍 안정 액추에이터

본 발명은 전류가 없는 상태에서 두 개의 안정 위치를 갖는 액추에이터 분야에 관한 것이다.

전자기 액추에이터는 일반적으로 단 안정(monostable) 방식으로 제조된다. 즉, 액추에이터의 자기 전기자(magnetic armature)는 (에너지가 공급되지 않을 때) 전류 없이 단 안정 위치를 갖는다. 일반적으로 안정 위치는 스프링의 복귀력에 의해 결정되는데, 스위칭된 위치로 불리는 스트로크의 다른 단부 위치로의 전달은 자기 코일 또는 전자석의 여자 권선에, 하나의 전류 순환 방향만 필요로 하는 일명 "단극성(unipolar)" 전원 공급에 따라 전원을 공급함으로써 달성된다. 이는 특히 자동차 전기 네트워크에서 초보적이고 경제적이며 쉽게 접근 가능한 전자 장치로 수행될 수 있다.

자기 전기자를 스위칭된 위치에 유지하기 위해, 자기 코일은 어떠한 기계 작업도 생성하지 않고 지속적으로 전류를 공급받아야 한다. 이로 인해 에너지 손실과 액추에이터의 발열이 발생한다.

이러한 단점을 피하기 위해, 자기 전기자는 자기 코일로의 일시적인 전류 공급에 의해 다른 위치로 이동될 때까지 일반적으로 영구 자석을 사용하여 에너지 입력 없이 자기 코일에 두 개의 단부 위치들 중 하나에 항상 유지되고; 그 후에 자기 전기자는 코일에 전원이 공급되지 않은 상태로 유지되는, 쌍 안정 액추에이터 솔루션을 사용하는 것 역시 잘 알려져 있다. 에너지는 자기 전자기를 두 단부 위치들 중 하나로 전달하는 데만 필요하며 에너지는 대부분 기계 작업으로 변환된다. 그러나, 이러한 솔루션에는 양극형(bipolar-type) 전원 공급 장치가 필요한데, 제 1 안정 위치에서 제 2 안정 위치로 이동할 것인지 아니면 제 2 안정 위치에서 제 1 안정 위치로 이동할 것인지에 따라 전류의 방향이 달라진다. 그러나, 이러한 전류의 양극성(bipolarity)은 일반적으로 여러 스위칭 트랜지스터들을 (일반적으로 "H-브리지"로 불리는 어셈블리에 따라) 통합해야 하기 때문에, 단극성인 경우보다 더 복잡하고 비용이 많이 드는 전자 구조를 필요로 한다. 이러한 구조의 가용성은 자동차 전기 네트워크에서 문제될 수 있으며, 특히 기능들을 다양화하여 구조의 가용성을 높여야만 하는 경우 더욱 문제된다.

최신 기술에서, 본 출원인에 의한 유럽 특허 제1875480호는 이동 어셈블리와, 적어도 하나의 전기 여기 코일 및 스트로크 단부에서 전류가 없는 두 개의 안정 평형 위치들을 갖는 적어도 하나의 영구 자석을 포함하는 고정된 강자성 스테이터 어셈블리에 관한 것으로서, 상기 이동 어셈블리는 상기 스테이터 어셈블리의 양측에 분포되고 각각이 상기 스테이터 어셈블리와 함께 적어도 하나의 자기 회로를 형성하는 두 개의 개별적인 강자성 전기자를 갖고, 영구 자석은 스트로크 단부에서 전류를 유지하지 않고 안정적인 평형 위치에서 이동식 강자성 부품들 중 하나 및 다른 하나와 자기적으로 협동할 수 있는 것을 특징으로 하는 것으로 개시되어 있다. 변형 예에 따르면, 전기 상(electrical phase)에서의 코일의 배열은 이 개시된 솔루션에서 수행됨으로써, 제 1 코일에 의해 생성된 자속이 주목할 만한 제 1 자기 회로의 전류 없이 자속으로부터 차단되고, 제 2 코일에 의해 생성된 자속은 주목할 만한 제 2 자기 회로의 전류 없이 자속에 추가된다. 액추에이터는 양극 전류를 사용하여 제어될 수 있다. 따라서, 액추에이터는 단상이며 양극 전류를 전달한다.

이러한 액추에이터는 실제로 전류가 없는 두 개의 안정 위치들을 가지고 있지만, 한 위치에서 다른 위치로 전환하기 위해서는 제어 전류의 방향을 반전시켜야 하는데, 이는 여러 전력 트랜지스터들을 구현하는 전자 회로를 사용하는 것을 의미한다.

미국특허출원 제20020149456호 또는 더 최근의 독일특허출원 제102014216274호에 개시된 것처럼, 단극성 전원 공급 장치로 작동하고 두 개의 안정 위치들을 달성하는 액추에이터들이 제안되어 왔다. 이 액추에이터들에 의하면 특히 전류 소모 없이 두 개의 안정 위치들을 확보하면서, 단순한 단극성 전원 공급을 유지하고 코일의 모든 전류 방향을 그 코일에 받아들이지만 스트로크의 각 절반에서 단방향 힘만 생성하는 솔레노이드 유형의 전동 액추에이터를 유지하는 일반적인 문제들을 해결한다. 따라서, 이러한 액추에이터는 발리스틱(ballistic) 방식, 즉 시간이 제한된 힘을 부여하고 반대편 안정 위치에 도달하도록 이동 부재로 전달되는 운동 에너지에 의존하여 제어해야 한다.

안정 위치들을 달성하기 위해, 이러한 응용 예들은 소위 "스냅" 스프링들의 형태, 즉 작동하는 방향에 따라 특정 포지티브 또는 네거티브 기계 작업을 수행하는 형태의 기계 요소의 사용, 또는 "스트링 플런저" 형태인 슬롯에 볼을 만 형태의 기계 요소들을 사용할 것을 제안한다.

종래 기술의 문헌에 의하면 단극성 전류로 제어 가능한 작동 및 전류 없이 두 개의 안정 위치를 갖는 액추에이터를 달성하는 일반적인 문제가 해결된다. 그러나, 이러한 모든 솔루션들에는 이러한 안정 위치들을 생성하는 데 사용되는 기계 시스템의 원리 또는 극성이 반전 가능한 전원 공급 장치가 필요한 시스템에 있어 내재된 결함들을 갖는다.

실제로, 첫 번째 단점은 액추에이터의 조립이 어렵다는 점, 특히 한편으로는 솔레노이드형 액추에이터와 다른 한편으로는 기계적 안정성 부재들(스프링 및/또는 볼) 사이에 필요한 인덱싱이 어렵다는 점에 있다. 일반적으로 몇 1/10 밀리미터에서 몇 밀리미터인 짧은 스트로크들을 고려하면, 가동 부재와 기계적 안정성 부재 사이의 인덱싱 오류는 발리스틱 기능을 방지할 수 있는 액추에이터를 위한 비대칭을 의미한다. 제조 공차를 포함하는 산업 생산에서 실시예가 구현되는 경우, 이러한 미세 공차를 보장하는 데 필요한 비용이 매우 클 수 있고, 액추에이터 사용 상 이점을 최소화할 수 있다.

또한, 종래 기술의 솔루션들은 어느 정도의 컴팩트함을 보여주지만, 이들은 서로 다른 기능들의 성공적인 통합을 보장하지 못하고 기능들을 분리하는 단점을 여전히 지니고 있다. 예를 들어, 솔레노이드 액추에이터는 움직임을 시작하는 데 전적으로 책임이 있으며, 그에 따라 기계적 안정성 부재들(스프링 및/또는 볼)만이 안정 위치들을 달성하고 유지하는 데 책임이 있다.

본 발명의 목적들 중 하나는 더 콤팩트하고 더 통합되고 어셈블리 공차에 덜 민감한 솔루션에 의해, 두 개의 안정된 스트로크 단부 위치들을 유지하고 단일한 단극형 전원 공급 장치를 사용하여 양방향 이동을 달성하는 요구를 여전히 충족시키며, 종래 기술의 솔루션들을 현저하게 개선하는 액추에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적어도 하나의 영구 자석을 적절히 통합함으로써, 안정 위치를 유지하는 기능 및 안정 위치를 벗어나는 기능이 상기 영구 자석에 의해 적어도 부분적으로 수행되는 액추에이터를 제공하는 것이다.

상술한 기술적 문제들에 대응하기 위해, 본 발명은 하나의 안정 위치에서 다른 안정 위치로의 통과를 위해 극성 변화 없는 펄스 전기 제어를 사용하여, 스트로크 단부에서 전류 없이 두 개의 안정 위치들 사이에서의 부재의 이동을 제어하기 위한 가장 일반적인 의미의 액추에이터에 관한 것으로서, 강자성 이동체, 상기 이동체에 대해 고정된 적어도 하나의 전기적으로 제어되는 와이어 코일을 포함하는 스테이터, 상기 이동체의 양측에서 상기 이동체에 대해 고정된 적어도 두 개의 강자성 극들을 포함하고, 상기 두 개의 안정 위치들을 달성하기 위해 상기 이동체를 끌어당기는 하나 이상의 영구 자석을 더 포함하며, 상기 이동체는 상기 이동체의 이동 중에 상기 강자성 극들과 함께 적어도 두 개의 가변 에어 갭들을 형성하고, 상기 전기 제어는 상기 코일에서 단일 방향(편도(one way)/단향성(unidirectional))으로 자속을 생성하기 위한 적어도 하나의 상기 코일을 제어하고, 상기 이동체, 적어도 하나의 상기 코일, 상기 강자성 극 및 적어도 하나의 상기 자석은, 상기 영구 자석의 자속이 이동체의 위치와 관계 없이 적어도 하나의 상기 코일에 의해 생성된 자속과 반대되는 자기 회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 액추에이터에 관한 것이다.

바람직하게는, 액추에이터는 상기 이동체의 이동을 제한하는 두 개의 정지부를 포함하고, 상기 정지부는 연질의 강자성 재료로 이루어지며, 상기 자석의 자속과 상기 코일의 자속을 채널링한다. 상기 이동체가 그 스트로크의 중심에 있을 때, 상기 적어도 두 개의 에어 갭들은 바람직하게는 상기 코일의 중간에 대해 대칭적으로 배열된다.

또한, 바람직하게는, 액추에이터는 두 개의 안정 위치들 중 어느 하나로부터 반대편 안정 위치로 상기 이동체의 위치를 변경하기 위해, 일정한 극성 및 원래 위치와 반대편 위치 사이에서의 상기 이동 장치의 이동 시간보다 짧은 지속 시간으로 상기 코일의 전기 공급 펄스를 생성하는 전자 회로와 연결된다.

특정 실시예에서, 액추에이터는 상호 연결되고 반대 방향들을 향해 자속들을 생성하는 두 개의 동축 코일들을 포함한다.

바람직하게는, 상기 자석은 이동 장치 또는 스테이터에 고정된다.

유리하게는, 액추에이터는 전원 전압의 함수인 테이블 및/또는 주변 온도의 함수인 테이블로부터 전기 펄스의 지속 시간을 제어하는 전자 회로를 더 포함한다. 전기 펄스의 지속 시간은 위치 센서로부터의 피드백의 함수일 수도 있다.

상기 피드백은 예를 들어 2차 코일에 의해 측정된 역 기전력(back electromotive force) 또는 공급 코일을 통해 흐르는 도달된 전류 레벨로부터 생성될 수 있다. 또한, 피드백은 자석에 의해 방출된 자기장의 강도 또는 방향을 검출하는 자기 감응(magnetosensitive) 센서로부터 생성될 수 있다.

본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 각각 이하의 내용을 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 상세한 실시예들에서 나타날 것이다:
-도 1a 및 도 1b는 단일 코일을 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 장치를 각각 위에서 본 것과 종 방향 단면에서 본 두 개의 도면이다;
-도 1c 및 도 1d는 두 개의 안정된 단부 위치들에서의 도 1b의 장치의 두 개의 종 방향 단면도들이다;
-도 2a 내지 도 2d는 도 1의 장치에 대한 대안적인 실시예들의 종 방향 단면도이다;
-도 3은 두 개의 코일들을 보여주는 본 발명의 또 다른 실시예의 종 방향 단면도이다;
-도 4는 본 발명에 따른 장치에 의해 생성된 힘의 다양한 구성 요소들의 일반적인 발전을 보여주는 그래프이다;
-도 5는 본 발명에 따른 장치에 적용되는 제어 전압 및 대응하는 전류의 일반적인 변화를 보여주는 그래프이다;
-도 6은 회전 스트로크를 갖는 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 사시도이다;
-도 7a 및 도 7b는 선형 스트로크를 갖는 본 발명에 따른 장치의 두 개의 서로 다른 실시예들에 대한 두 개의 종 방향 단면도이다;
-도 8은 선형 스트로크를 갖는 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예의 부분 단면 사시도이다;
-도 9는 본 발명에 따른 액추에이터의 제어 구조의 개략도이다;
-도 10a, 도 10b 및 도 10c는 본 발명에 따른 액추에이터의 세 가지 대안적인 실시예에 대한 세 개의 단면도들이다.

본 발명에 따른 장치의 예가 도 1a 내지 도 1d에 도시되어 있고, 도 1b 내지 도 1d는 도 1a에 도시된 평면을 따른 단면도들이다. 이 실시예에서, 장치는 축 대칭 형상의 선형 액추에이터이지만 장치의 형상이 이에 제한되는 것은 아니고, 예를 들어 도 6에 도시된 것과 같은 회전체 구조뿐만 아니라 직육면체 형상일 수도 있다.

본원에 설명된 장치는 축 대칭 형상에 대해 선형으로 그리고 축 방향으로 이동하는 축(1)을 포함한다. 도 1b를 참조하면, 상기 축은 이동체(2)에 고정되고, 영구 자석들(3a, 3b)은 이동체(2)의 양측에 축 방향으로 위치된다. 축(1), 이동체(2) 및 영구 자석들(3a, 3b)의 어셈블리는 제 1 위치로부터 제 2 위치를 향해 또는 그 반대 방향으로 병진 이동과 축 방향 이동이 가능한 장치를 구성한다. 도 1c 및 도 1d에는 이러한 이동 장치에 의해 형성된 두 개의 단부 위치들이 도시되어 있다. 이 두 위치들은 소위 안정 위치들로서, 외부 부하 또는 장치가 받는 가속에 대항하여, 영구 자석들(3a, 3b)로 인한 전류 없이 유지된다.

이동 장치는 강자성 외피(4) 및 플랜지(5)뿐만 아니라 구리 또는 알루미늄 같은 전기 전도성 재료로 만들어진 와이어 코일(6)에 의해 형성되는 스테이터 어셈블리에 대하여 이동한다. 외피(4)와 플랜지(5)는, 코일(6)이 전류를 공급 받고 적어도 부분적으로 영구 자석들(3a, 3b)에 의해 생성된 자기장에 있을 때 코일(6)에 의해 생성된 자기장을 채널링하기 위해 코일(6)을 둘러싼다. 따라서 이동 장치는 이동체(2)의 양측에서 두 개의 베어링(7)에 슬라이딩함으로써 스테이터 어셈블리에 대해 이동한다. 스테이터 어셈블리는 이동체(2)의 양측에 두 개의 강자성 극들(15a, 15b)을 형성한 다음 두 개의 축 방향 에어 갭들(11a, 11b)과 두 개의 반경 방향 에어 갭들(12a, 12b)을 형성한다. 바람직하게는, 액추에이터는 이동체(2)의 스트로크에서의 중심 위치에서 한편의 에어 갭들(11a, 12a)과 다른 한편의 에어 캡들(11b, 12b)이 동일하도록 대칭을 이룬다.

바람직하게는, 베어링(7) 및 축(1)은 비 자성(non-magnetic) 재료로 만들어지지만, 액추에이터의 힘의 법칙을 국부적으로 수정할 필요가 있는 경우 또는 재료의 기계적 강도 때문에 이러한 요소를 강자성 재료로 생성하는 것도 고려될 수 있다. 자석들에 대한 기계적 충격을 최소화하기 위해 본원에서는 비 제한적인 방식으로 도 1c및 도 1d에 도시된 바와 같이 이 두 요소들 사이의 접촉 영역(10)에서의 베어링(7) 상의 이동체(2)의 접촉으로 인한 기계적 정지를 수행하는 것이 제안된다. 개구부(9)는 선택 사항이며 여기에서는 코일(6)로부터 피드 와이어들을 세로 방향으로 빠져 나가게 하기 위한 것으로 제시된다. 피드 와이어는 외피(4)로부터 반경 방향으로 나올 수도 있다.

도 1b에서, 점선 화살표는 코일(6)이 공급 받을 때 코일(6)에 의해 생성된 자속의 순환 방향을 나타내고, 실선 화살표는 자석들(3a, 3b)에 의해 생성된 자속의 배향 방향을 나타낸다. 본 발명에 따른 장치들의 모든 실시예들에서, 자석들에 의해 생성된 자속들의 순환 방향은 이동 장치의 위치에 관계 없이 코일(6)에 의해 생성된 것과 반대가 되는 것이 필수적이다. 따라서, 본 발명에서는 이 자속 순환에 따라 코일(6)에 전압 또는 전류를 공급하는 것 및 권선하는 것의 단일 방향을 제공하고 선택하는 것이 중요하다. 제 1 실시예에서, 영구 자석들(3a, 3b)의 자속은 가산적인데, 즉 화살표들의 방향은 자석들(3a, 3b)의 자속이 코일(6)의 것에 반대되도록 축 방향에서 동일한 방향에 있다.

실제로, 이것은 본 발명의 목적들 중 하나이며, 이동 장치가 제 1 안정 위치(도 1c)에 있든 제 2 안정 위치(도 1d)에 있든, 코일 (6)의 자속은 항상 자석들(3a, 3b)의 자속에 반대되도록 한다. 이러한 방식으로 코일로 인한 가변 저항에 의해 생성된 힘에 추가되는 힘으로서, 코일(6)과 자석들(3a, 3b)의 자속들의 상호 작용에 기인하고 자석들(3a, 3b)의 잔류성 및 코일(6)의 전류에 비례하는 힘이 생성됨으로써, 안정 위치로부터의 인발 강도가 이동 장치를 중간 위치로 가져 오는 경향이 있게 된다. 결과적으로, 가변 저항력과 같은 이러한 비례적인 힘은 스트로크 중간에서 상쇄된다.

본원에서, "자석과 코일 사이의 반대 자속"이라는 용어는 이동체(2)의 위치에 관계없이 코일(6) (즉, 비례 힘에 있는 코일)을 통해 순환하는 자석(3a, 3b)의 자속은 코일(6)이 공급받을 때 코일의 자속에 반대되는 것을 의미하는 것으로 이해된다.

도 1c에는 이동체(2)에 의해 가정되는 전류가 없는 제 1 안정 위치가 도시되어 있고, 축 방향 에어 갭(11a)은 최소화되어 0 또는 얇은 에어 나이프(knife)로 감소되는 반면, 축 방향 에어 갭(11b)은 최대화된다. 이 두 개의 에어 갭들에서 전류가 코일(6)을 통과할 때 자석들(3a, 3b)에 의해 생성된 자속은 코일(6)에 의해 생성된 자속과 반대된다. 에어 갭들과 자기 저항(reluctance)들의 불균형에 의해 이동체(2)는 그 안정 위치로부터 이동된다.

도 1d에는 이동체(2)에 의해 가정되는 전류가 없는 제 2 안정 위치가 도시되어 있고, 축 방향 에어 갭(11a)은 최대화되는 반면, 축 방향 에어 갭(11b)은 최소화되어 0 또는 얇은 에어 나이프(knife)로 감소된다. 이 두 개의 에어 갭들에서 전류가 코일(6)을 통과할 때 자석들(3a, 3b)에 의해 생성된 자속은 코일(6)에 의해 생성된 자속과 반대된다. 에어 갭들과 자기 저항들의 불균형에 의해 이동체(2)는 그 안정 위치로부터 이동된다.

본 발명의 또 다른 목적은 이동체(2), 외피(4) 및 플랜지(5) 사이의 가변 저항에 의한 코일(6)의 단독 작용에 의해 생성된 힘에 비례하는 힘을 추가하는 것이다. 이러한 요소들의 크기는, 이동 장치가 중앙 위치 또는 도 1b에 도시된 것처럼 스트로크의 중간에 있을 때, 한 편에 있는 이동체(2)와, 다른 한 편에 있는 외피(4) 및 플랜지 (5) 사이에 있는 축 방향 에어갭들(11a, 11b) 및 반경 방향 에어갭들(12a, 12b)이 이동체(2)의 양측에서 동일하도록 설정된다. 자속의 채널링이 강자성 케이스에 의해 수행되는 한, 특히 외피(4) 및 플랜지(5)의 사용이 절대적으로 필요한 것으로 명시된다. 또한, 액추에이터에 비대칭 동작을 제공하려는 경우 중앙 위치에서 다양한 에어 갭들의 비대칭이 가능한 것으로 명시된다.

영구 자석들을 사용하여 안정 위치들의 출력 힘(또는 풀 오프(pull-off) 강도)뿐만 아니라 안정 위치 기능들을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 장치는 크기, 조립 용이성 및 액추에이터의 효율성에 대한 상당한 개선들을 제공한다.

도 2a 내지 2d에는 이동체(2), 코일(6), 축(1) 및 베어링(7)과 관련하여 도 1b에 도시된 장치와 유사하나, 영구 자석들(3a, 3b)의 위치에 관하여 차이가 있는 대안적인 실시예들의 예시들이 도시되어 있다.

도 2a를 참조하면, 영구 자석들(3a, 3b)은 이동 장치가 아닌 스테이터 어셈블리에 위치되며, 한편으로는 플랜지(5)에 고정되고 다른 한편으로는 외피(4)에 고정된다.

도 2b에서, 영구 자석들(3a, 3b)은, 예를 들어 바람직하게는 반경 방향으로 자화된 환형 자석들의 형태로 플랜지(5) 및 외피(4)에 일체화되어 위치된다. 이 단일 코일의 실시예에서 본 발명을 따르기 위해선, 영구 자석들(3a, 3b)이 자화됨으로써, 자기 자속들이 가산되어야 하고, 즉 하나의 자석(3a)에 대한 내부 반경 방향 자화 및 다른 자석(3b)에 대한 외부 반경 방향 자화로 인해 가산되도록 해야 한다. 따라서, 자석들(3a, 3b)의 자속은 항상 코일(6)의 자속에 반대된다. 이 도면에서는 플랜지가 도시되어 있지 않다; 외피(4)는 스테이터의 모든 강자성 부품들을 단일체로 생성한다. 또한, 와이어의 출구를 위한 축 방향 개구부가 없으며, 예를 들어 반경 방향으로 수행될 수 있다(도면에 도시되지 않음).

도 2c에서, 자석들(3a, 3b)은 외피(4)에서 액추에이터의 외부에, 예를 들어 각이 있는 섹터들의 형태로 또는 외피(4)의 두 부분들 사이의 링 형태로 위치된다. 이 실시예는 특히 더 큰 부피의 자석을 사용하여 잠재적으로 더 큰 힘을 사용하는 것을 가능하게 한다. 자석들(3a, 3b)에 의해 생성된 자속의 방향은 코일(6)이 공급 받을 때 코일(6)에 의해 생성된 자속의 방향과 여전히 반대이다.

도 2d에서, 영구 자석들은 축 방향으로 자화되고 이동체(2) 내부에 위치되는 단일 링 자석(3a)의 형태로서, 예를 들어 이동체(2)의 두 개의 절반 부분들 사이에 삽입된 하나의 재료 층으로 되어 있고, 그에 따라 코일(6)이 공급 될 때 그 자기 자속은 항상 코일(6)의 자기 자속과 반대된다.

제 1 실시예의 이러한 대안적인 실시예들은 제한적이지 않으며 예시로서 주어진 것으로 명시된다.

제 2 실시예의 상세한 설명

도 3에는 두 개의 공급 와이어만을 얻기 위해 직렬 또는 병렬로 서로 연결된 두 개의 동축 코일들(6a, 6b)을 포함하는 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 이 코일들(6a, 6b)은 강자성 극편(pole piece)(8)의 양측에 있는 자기 외피(4) 내부에 위치된다. 코일들(6a, 6b)의 권선 방향은, 주로 코일들(6a, 6b)의 자기장 순환 방향을 점선 화살표로 표시된 바와 같이 생성하기 위해 두 개의 코일(6a, 6b)에 의해 생성된 자속들이 서로 반대되도록 각 코일 사이에서 번갈아 가며 이루어진다. 자석(3a)의 자화 방향도 반대인 경우에는 순환 방향은 반대가 될 수 있다.

이 실시예에서, 극편(8)은 예컨대 링의 형태로 실제로 자석(3a)에 의해 반경 방향으로 그리고 내부적으로 확장되고, 상기 링의 자화는 생성된 자속이 코일들(6a, 6b)의 자속에 반대되도록 (예를 들어 반경 방향을 나가거나(outgoing) 재진입하는(re-entering)) 하도록 한다. 상기 링은 전체적으로 재진입 또는 퇴장(exiting) 자화를 형성하기 위해, 그 자화가 국부적으로 단 방향인 타일 또는 프리즘의 어셈블리로 대체될 수 있다고 명시된다.

본 발명에 따른 장치의 작동 원리

도 4에는 본 발명에 따른 액추에이터에 의해 생성되는 전형적인 힘 곡선들(뉴턴([N]) 단위)이 형태와 진폭의 제한 없이 이동체(2)의 위치(밀리미터([mm]) 단위) 함수로서 도시되어 있다. 코일(6)에 전류가 없으면, 이동체(2)에 가해지는 힘(F0)은 그래프의 왼편에서 음수이고 그래프 오른편에서 양수이며, 전류가 없는 두 개의 안정 위치들을 나타낸다. 전류가 있는 경우, 이동체(2)에 가해지는 힘을 분해하면 자석들(3a, 3b)의 비례 작용과 코일(6)에 주입된 전류의 비례 작용에 해당하는 제 1 구성 요소(Fnl)와, 전류 단독의 작용 하에서 외피(4), 플랜지(5) 및 이동체(5) 사이의 가변 저항의 작용에 해당하는 제 2 구성 요소(Fnl2)를 찾는다. 위 두 곡선들은 유사하게 발전되므로 관절 동작은 그래프의 왼편에 양의 힘을 제공하고 그래프의 오른편에 음의 힘을 제공하며, 두 힘들이 감소하여 서로 상쇄하는 스트로크 중간을 향해 이동 장치를 이동시키기 위하여 안정 위치들로 벗어나는 향상된 능력을 나타낸다.

따라서, 본 발명에서, 이동체(2)의 이동과 동기화되는 코일(6)에 주입된 전압 또는 전류를 제어하기 위해 액추에이터를 전자 장치와 연결시키는 것이 필수적이다. 이상적으로, 코일로의 공급 중단은 아래에 설명된 바와 같이 액추에이터의 외부에 있거나 액추에이터에 통합된 센서(미 도시)에 의해 수행되는 위치 검출에 의해 폐쇄 루프에서 제어될 수 있다. 또한, 개방 루프에서의 공급은, 예를 들어, 공급 전압의 변동들 및 부하 또는 온도와 같은 외부 조건들을 고려한 여러 치수들이 있는 테이블로 인해 중지될 수 있다.

예시적인 방식으로, 도 5는 두 개의 상이한 제어 전압 레벨들(볼트([V]) 단위)에 대해 코일(6)의 공급 기간(밀리 초([ms]) 단위)이 가변적임을 보여준다. 9V의 경우, 이 지속 시간은 16V의 제어 전압에 필요한 것보다 길다. 결과적으로, 전류의 형태들(암페어([A]) 단위)은 두 경우들(속도, 피크 전류 레벨 등) 사이의 비균질 조건들을 고려할 때 완전히 동일하지는 않아도 궁극적으로 유사한 기계 에너지를 포함하지만, 서로 다르다.

위치 정보 또는 전류 임계 값에 도달하는 것을 이용한 폐쇄 루프의 경우, 본 발명에 따른 장치는 코일들(6a, 6b) 자체 또는 코일들(6a, 6b)에 인접하고 전압이 공급되지 않는 하나 이상의 다른 검출 코일로 인한 전류 임계 값 또는 유도 전압을 검출하는 기능을 유리하게 통합시킬 수 있다. 예를 들어, 이러한 검출 코일들에 유도된 전압이 임계 값에 도달하면 위치 검출이 수행될 수 있다. 검출은 제어 코일들(6a, 6b)의 주어진 전류 값에 도달함으로써 수행될 수도 있다.

도 7a, 도 7b 및 도 8은 선형 액추에이터들의 다른 실시예들이다. 도 7a 및 도 7b는 자석들(3a, 3b)의 자화 방향에 의해 구별되는 두 개의 유사한 실시예들을 나타낸다. 도 7a에서 자화는 반경 방향으로 나가거나 재진입하는 반면, 도 7b에서는 이동 축에 대해 각이 진 방향을 가지고 있다. 본원에서 이 각도는 45 °에 가깝지만, 각도 값은 제한적이지 않으며 특히 스트로크의 양측에서 안정성 힘을 최대화하기 위하여 자석으로 인한 힘을 증가시키는 역할을 한다. 스테이터 구조는 플랜지가 없는 단일 외피(4)로 구성되어 있고 축 방향 에어 갭이 없는 반경 방향 에어 갭들(12a, 12b) 만 가진다는 점에서 이전 것들과 다르다. 여기에서 단일하고 플랜지 없는 외피(4)에 의해 형성되는 강자성 극들(15a, 15b)은 이러한 에어 갭들(12a, 12b)을 형성하고 축 방향 확장에서 자석들(3a, 3b)을 수용하는 역할을 한다. 자석들(3a, 3b)의 자화 방향은 항상 자석들(3a, 3b)에 의해 생성된 자속이 이동체(2)의 위치에 관계 없이 코일(6)의 자속과 반대되도록 한다.

또한, 도 7b에는 자기 감응 센서(14)가 도시되어 있고, 이 센서는 예를 들어 주어진 지점에서 자기 유도를 검출하는 홀 효과(Hall effect)를 가지며, 센서의 위치는 신호를 최적화하기 위해 조정될 수 있고, 센서의 강도 또는 그 방향은 이동체(2)의 위치에 따라 확장 가능하다. 이러한 센서는 본원에 제시된 다른 구성에서 사용될 수 있음이 명시된다.

도 8에는 링 자석 대신에 자석 섹터들(3a1, 3a2, 3b2)만을 사용하는 더욱 콤팩트한 실시예가 도시되어 있다. 따라서 자석 섹터들(3a1, 3a2, 3b2)은 외피(4)의 극들(4a, 4b) 사이에서 외피(4)에 내장되어 있다.

제시된 모든 예시들은 선형 액추에이터를 나타내고 있으나, 본 발명은 위에서 제시된 교시들을 적용하여 회전식 또는 곡선형(curvilinear) 액추에이터에 전적으로 고려될 수 있음이 명시된다.

예를 들어, 도 6에는 이러한 회전식 액추에이터가 도시되어 있고, 여기에서 점선은 자석들(3a, 3b)에 고정된 이동체(2)가 따르는 경로를 표시한다. 선형 액추에이터들에 관한 앞선 설명과 동일한 요소들 및 기능들을 가지며, 가장 큰 차이는 강자성 재료로 만든 스테이터(13)로 외피(4) 및 플랜지(5)를 대체하는 것이지만, 베어링을 통해 직접 또는 간접적으로 자속의 정지 및 채널링을 보장하는 기계적 및 자기적 기능들은 유지한다.

도 9에는 본 발명에 따른 액추에이터를 제어하는데 사용될 수 있는 제어 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 이 구조는 신호를 전자 제어 회로(ECU)로 보내는 위치 센서(SENS.)가 연결될 수 있는 액추에이터(ACT.)를 포함한다. 액추에이터(ACT.)로 전송되는 펄스 지속 시간을 가장 잘 보정하기 위해, 전자 회로(ECU)는 배터리 공급 전압(BAT.) 및 주변 온도(TEMP.) 정보로부터 펄스 지속 시간을 계산하는 테이블(TAB.)을 포함한다.

도 10a, 도 10b 및 도 10c에는 본 발명에 따른 액추에이터의 세 가지 대안적인 실시예들의 단면도 세 개가 도시되어 있다. 도 10a, 도 10b, 도 10c의 이러한 예시들 중 하나 또는 다른 액추에이터의 사용의 선택은 생산 비용과 원하는 성능 사이의 절충에 의해 결정된다.

도 10a, 도 10b 및 도 10c에 도시된 액추에이터는 공통적인 요소들을 가지고, 특히 두 개의 이동체들(2a, 2b)에 고정된 축 가지며, 이동체들(2a, 2b) 사이에는 영구 자석(3)이 두 개의 베어링(17) 내부에서 위치, 안내 및 슬라이딩된다. 이 이동 장치는 외피(4)로 고정된 두 개의 상부 및 하부 플랜지들(5a, 5b)로 구분되는 두 개의 안정된 스트로크 단부 위치들 사이를 이동한다. 이동체들(2a, 2b), 플랜지들(5a, 5b) 및 외피(4)는 자석(3)과 코일(들)(6, 6a, 6b, 6c)의 자기장을 채널링하기 위해 부드러운 강자성 재료로 이루어지고, 코일들의 참조 부호는 이 세 개의 도면들에 도시된 변형들에 따라 상이하다. 스트로크 단부들은 각각 플랜지들(5a, 5b)와 이동체들(2a, 2b) 각각의 접촉 또는 이동체들(2a, 2b)과 가이드 베어링(17)의 접촉에 의해 구현된다.

도 10a에서, 코일(6)은 스트로크 단부 위치들 중 하나 또는 다른 위치에 있는 이동체들(2a, 2b)에 대해 반경 방향 반대편에 있도록, 하나의 코일(6)만이 코일 본체(16)에 고정되고 액추에이터의 가로 중앙 면 부근에 위치된다. 예를 들어, 도 10a에는 "높은" 스트로크 단부 위치가 도시되어 있고, 이동체(2b)는 코일(6)에 대해 반경 방향 반대편에 있다.

도 10b에서, 두 개의 코일들(6a, 6b)은 스트로크 단부 위치들 중 하나 또는 다른 위치에서 이동체들(2a, 2b)과 반경 방향에서 마주보도록, 코일 몸체(16)에 고정되고 액추에이터의 가로 중앙 면의 양측에 위치된다. 예를 들어, 도 10b에는 "하단" 스트로크 단부 위치가 도시되어 있고, 이동체(2b)는 코일(6)의 반경 방향 반대편에 있다.

도 10c에서, 세 개의 코일들(6a, 6b, 6c)은 스트로크 단부 위치들 중 하나 또는 다른 위치에서 이동체들(2a, 2b)과 반경 방향에서 마주보도록, 코일 몸체(16)에 고정되고 코일(6c)을 위한 액추에이터의 가로 중앙 면의 근처 및 코일들(6a, 6b)을 위한 상기 중앙 면의 양측에 위치된다. 예를 들어, 도 10c에는 중간 스트로크 위치가 도시되어 있다. "높은" 스트로크 단부 위치에서 코일들(6a, 6c)은 각각 이동체들(2a, 2b)을 향할 것이고 "낮은" 스트로크 단부 위치에서 코일들(6c, 6b)은 각각 이동체들(2a, 2b)의 반대편에 있는 것으로 이해될 것이다.

Claims (11)

1. 스트로크 단부들에서 전류 없이 두 개의 안정 위치 사이에서 부재의 이동을 제어하는 액추에이터로서,
   하나의 안정 위치에서 다른 안정 위치로의 통과를 위한 펄스 전기 제어를 하도록 구성되고,
   강자성 이동체(2),
   상기 이동체(2)에 대해 고정된 적어도 하나의 전기 제어 와이어 코일(6, 6a, 6b)을 포함하는 스테이터,
   상기 이동체(2)의 양측에서 상기 이동체(2)에 대해 고정된 적어도 두 개의 강자성 극들(15a, 15b); 및
   상기 두 개의 안정 위치들을 달성하기 위해 상기 이동체(2)를 끌어당기는 적어도 하나의 영구 자석(3a, 3b)을 포함하며,
   상기 이동체(2)는 상기 이동체의 이동 중에 상기 강자성 극들(15a, 15b)과 함께 적어도 두 개의 가변 에어 갭들(11a, 11b, 12a, 12b)을 형성하고,
   상기 전기 제어는 상기 코일에서 단일 방향(편도/단향성)으로 자속을 생성하기 위한 극성 변화가 없는 펄스형이며,
   상기 이동체, 적어도 하나의 상기 코일, 상기 강자성 극들 및 적어도 하나의 상기 자석은, 상기 영구 자석(3a, 3b)의 자속이 이동체(2)의 위치에 관계 없이 적어도 하나의 상기 코일(6, 6a, 6b)에 의해 생성된 자속과 반대되는, 자기 회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 이동체(2)의 이동을 제한하는 두 개의 정지부를 포함하고, 상기 정지부는 연질의 강자성 재료로 이루어지며 상기 자석(3a, 3b)의 자속과 상기 코일(6, 6a, 6b)의 자속을 채널링하는 것을 특징으로 하는 쌍 안정 액추에이터.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 이동체(2)의 위치를 두 개의 안정 위치들 중 어느 하나에서 반대편 안정 위치로 변경하기 위해, 일정한 극성 및 원래 위치와 반대 위치 사이에서의 이동 장치의 이동 시간보다 짧은 지속 시간을 가지며 상기 코일(6)의 전기 공급 펄스를 생성하는 전자 회로(ECU)와 연결되는 것을 특징으로 하는 쌍 안정 액추에이터.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 적어도 두 개의 에어 갭들(11a, 11b, 12a, 12b)은, 상기 이동체(2)가 스트로크 중심에 있을 때 바람직하게는 상기 코일(6)의 중간에 대해 대칭적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 쌍 안정 액추에이터.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상호 연결되고 반대 방향들을 향해 자속들을 생성하는 두 개의 동축 코일들(6a, 6b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍 안정 액추에이터.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 자석(3a, 3b)은 상기 이동 장치 또는 상기 스테이터에 고정되는 것을 특징으로 하는 쌍 안정 액추에이터.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   전원 전압의 함수인 테이블로부터 상기 전기 펄스의 지속 시간을 제어하는 전자 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍 안정 액추에이터.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   주변 온도의 함수인 테이블로부터 상기 전기 펄스의 지속 시간을 제어하는 전자 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍 안정 액추에이터.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기 펄스의 지속 시간을 위치 센서로부터의 피드백의 함수로서 제어하는 전자 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쌍 안정 액추에이터.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 피드백은 2차 코일에 의해 측정된 역 기전력 또는 공급 코일을 통해 흐르는 도달된 전류 레벨로부터 생성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 쌍 안정 액추에이터.
    
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 피드백은 상기 자석(3a, 3b)에 의해 방출된 자기장의 강도 또는 방향을 검출하는 자기 감응 센서(14)로부터 생성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 쌍 안정 액추에이터.

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