KR20230138823A

KR20230138823A - 유압 제어 밸브 및 유압 제어 밸브를 포함하는 유압 구동 시스템

Info

Publication number: KR20230138823A
Application number: KR1020220036931A
Authority: KR
Inventors: 김진현; 류성무; 장민규; 김현진; 박승현; 윤배근
Original assignee: (주)케이엔알시스템; 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-10-05

Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 유압 구동 시스템은, 유압에 의해 구동되는 제1 구동부, 유압에 의해 구동되는 제2 구동부, 상기 제1 구동부로부터 유체를 전달 받으며 상기 유체를 상기 제2 구동부로 전달하는 유압 제어 밸브 및 상기 유압 제어 밸브와 전기적으로 연결되며, 상기 제2 구동부로 전달되는 유량를 조절하는 제어부를 포함한다.
상기 유압 제어 밸브는 밸브하우징, 상기 밸브하우징 내에 형성되며 상기 제1 구동부로부터 전달된 상기 유체가 분지되어 유동하는 복수의 유압라인, 각각의 상기 유압라인에 구비되고 상기 제어부에 의한 전기적 신호에 의해 형상이 변형되어 상기 유압라인을 개방하거나 폐쇄하는 복수의 압전 액추에이터 및 복수의 상기 유압라인 중에서 개방된 상태의 상기 유압라인을 통과한 상기 유체가 합해져서 유동되며 합해진 상기 유체를 상기 제2 구동부로 전달하는 출력라인을 포함한다.

Description

유압 제어 밸브 및 유압 제어 밸브를 포함하는 유압 구동 시스템{A hydraulic pressure control valve and A hydraulic drive system comprising the hydraulic pressure control valve}

본 발명은 유압 제어 밸브 및 유압 제어 밸브를 포함하는 유압 구동 시스템 에 관한 것이다.

일반적으로 유압 서보 밸브는 기계적 또는 전기적 제어 신호에 대응하여, 유량을 제어하는 밸브를 일컫는다. 이러한, 유압 서보 밸브는 부피 대비 큰 힘을 낼 수 있다는 장점이 있다. 이런 장점으로 인해, 유압 서보 밸브는 다양한 산업 분야에서 유압 장비의 유압을 조절하는 장치로서 활용되고 있다.

한편, 다양한 산업 분야에서 유압 장비는 점점 소형화되고 있으며, 유압 장비에 장착되는 다양한 부품들은 집적화 되고 있다. 이러한 장비 소형화 추세에 따라, 유압 서보 밸브 역시 소형화가 요구되고 있다. 또한, 소형화된 장비에 공급되는 미세한 유량을 조절할 수 있는 유압 서보 밸브에 대한 필요성이 증대되고 있다. 그러나, 유압 서보 밸브는 그 구조적 복잡성으로 인하여 소형화에 어려움이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 콤팩트한 구성으로 제작이 가능하여, 소형화된 유압 제어 밸브 및 그러한 유압 제어 밸브를 포함하는 유압 구동 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 미세한 유량을 조절할 수 있는 유압 제어 밸브 및 그러한 유압 제어 밸브를 포함하는 유압 구동 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 유압 구동 시스템은, 유압에 의해 구동되는 제1 구동부, 유압에 의해 구동되는 제2 구동부, 상기 제1 구동부로부터 유체를 전달 받으며 상기 유체를 상기 제2 구동부로 전달하는 유압 제어 밸브 및 상기 유압 제어 밸브와 전기적으로 연결되며, 상기 제2 구동부로 전달되는 유량를 조절하는 제어부를 포함한다.

상기 유압 제어 밸브는 밸브하우징, 상기 밸브하우징 내에 형성되며 상기 제1 구동부로부터 전달된 상기 유체가 분지되어 유동하는 복수의 유압라인, 각각의 상기 유압라인에 구비되고 상기 제어부에 의한 전기적 신호에 의해 형상이 변형되어 상기 유압라인을 개방하거나 폐쇄하는 복수의 압전 액추에이터 및 복수의 상기 유압라인 중에서 개방된 상태의 상기 유압라인을 통과한 상기 유체가 합해져서 유동되며 합해진 상기 유체를 상기 제2 구동부로 전달하는 출력라인을 포함한다.

상기 제어부는, 복수의 상기 압전 액추에이터 중에서 상기 유압라인을 개방하는 압전 액추에이터의 수를 조절하여 상기 출력라인을 통해 상기 제2 구동부로 전달되는 유량을 조절할 수 있다.

상기 제어부는 각각의 상기 압전 액추에이터에 대한 상기 유압라인을 개방하는 시간 및 상기 유압라인의 개방 주기를 조절하여, 상기 개방 주기 동안 평균적으로 상기 제2 구동부에 전달되는 유량를 조절할 수 있다.

상기 전기적 신호는 사각파 형태로 상기 압전 액추에이터에 전달되며, 상기 제어부는, 상기 사각파의 폭 및 주기를 변경하여, 상기 유압라인을 개방하는 시간 및 상기 유압라인의 개방 주기를 조절할 수 있다.

개방된 각각의 상기 유압라인에 서로 다른 유량이 유동되도록, 각각의 상기 유압라인은 서로 다른 유량의 진입을 허용하는 오리피스부와 유체 소통될 수 있다.

복수의 상기 유압라인은, 개방된 상태에서 서로 다른 유량이 유동되도록, 제1 단면적을 갖는 제1 유압라인과 상기 제1 단면적과 상이한 제2 단면적을 갖는 제2 유압라인을 포함할 수 있다.

상기 제2 구동부의 구동 과정 중에, 외부 물체의 간섭에 따른 상기 출력라인 내부의 유압 변화를 파악할 수 있도록, 상기 출력라인 내에 배치되어 상기 출력라인 내부의 유압을 센싱하는 유압센서를 더 포함할 수 있다.

상기 출력라인은 각기 서로 다른 상기 유압라인에 연결된 제1 출력라인과 제2 출력라인을 포함할 수 있다. 상기 유압센서는, 상기 제1 출력라인 내에 배치되는 제1 유압센서와 상기 제2 출력라인 내에 배치되는 제2 유압센서를 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제1 유압센서와 상기 제2 유압센서의 센싱값 차이를 기반으로 상기 외부 물체의 간섭 여부를 판단할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 유압센서의 센싱값이 미리 설정된 값 이상이 될 경우, 상기 외부 물체의 간섭이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.

각각의 상기 유압라인은, 개방된 상태에서 상기 출력라인으로 0.05lpm 이상 및 2lpm 이하의 유량을 전달할 수 있다.

상기 압전 액추에이터는, OFF 상태에서 단부가 상기 유압라인의 일단측에 위치되어 상기 유압라인을 개방하며, ON 상태에서 단부가 상기 유압라인의 타단측으로 이동하여 상기 상기 유압라인을 폐쇄할 수 있다.

상기 압전 액추에이터는, ON 상태에서 단부가 상기 유압라인의 일단측에 위치되어 상기 유압라인을 개방하며, OFF 상태에서 단부가 상기 유압라인의 타단측으로 이동하여 상기 상기 유압라인을 폐쇄할 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

콤팩트한 구성을 기반으로 장비의 소형화가 가능하다.

또한, 콤팩트한 구성으로 인하여 제조 및 가공에 유리하여, 제조원가의 절감이 가능하다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유압 구동 시스템을 표현한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유압 구동 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터가 유압라인을 개방한 상태에서의 유압 제어 밸브에 대한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터가 유압라인을 폐쇄한 상태에서의 유압 제어 밸브에 대한 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터가 유압라인을 개방한 상태에서의 유압 제어 밸브에 대한 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터가 유압라인을 폐쇄한 상태에서의 유압 제어 밸브에 대한 개략적인 단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 또한, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그러나, 도면 부호가 병기된 구성요소들의 구성이 도면의 도시 내용으로 한정되는 것은 아니다. 도면 상의 구성을 변경한 실시예가 채용되더라도, 이하에서 설명하는 구성요소와 기능적 동일성 및/또는 유사성이 있다면 실질적으로 동일하거나 균등한 구성으로 해석되어야 할 것이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 유압 제어 밸브 및 유압 제어 밸브를 포함하는 유압 구동 시스템을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대하여 설명하도록 한다.

<유압 구동 시스템>

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유압 구동 시스템을 표현한 도면이다. 또한, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유압 구동 시스템의 블록도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유압 구동 시스템은 제1 구동부(200), 제2 구동부(300), 유압 제어 밸브(100), 제어부(500) 및 센서부(400)를 포함할 수 있다.

제1 구동부(200)는 유압에 의해 구동되는 구동 유닛일 수 있다. 예를 들어, 제1 구동부(200)는 유압에 의해 구동되는 매니퓰레이터, 로봇 암, 유압 모터, 리니어 액츄에이터, 선회 베어링(slewing bearing), 기타 로봇 관절 구조를 구성하는 구동 장치 등일 수 있다.

제1 구동부(200)는 작동에 필요한 유체(예를 들어, 작동유, 공기 등)를 외부의 유압 공급원으로부터 공급 받을 수 있다. 또한, 도시되지 않았으나 제1 구동부(200)와 유압 공급원의 사이에는 유압 조절 유닛(미도시)이 위치될 수 있다. 유압 조절 유닛은 제1 구동부(200)로 전달되는 유압을 조절하는 밸브 유닛으로 구비될 수 있다.

제2 구동부(300)는 유압에 의해 구동되는 구동 유닛일 수 있다. 예를 들어, 제2 구동부(300)는 유압에 의해 구동되는 매니퓰레이터, 로봇 암, 유압 모터, 리니어 액츄에이터, 선회 베어링, 기타 로봇 관절 구조를 구성하는 구동 장치 등일 수 있다.

한편, 제1 구동부(200)와 제2 구동부(300)의 관계는, 큰 관절과 작은 관절의 관계와 동일 또는 유사한 관계일 수 있다. 구체적으로, 제1 구동부(200)는 제2 구동부(300)보다 동작 범위, 운동 반경, 구동을 위해 필요한 힘 등이 더 큰 관절 및/또는 근육의 움직임을 모사한 대형관절구동부일 수 있다. 이에 대하여, 제2 구동부(300)는 제1 구동부(200)보다 동작 범위, 운동 반경, 구동을 위해 필요한 힘 등이 더 작은 관절 및/또는 근육의 움직임을 모사한 소형관절구동부일 수 있다.

일 예로, 제1 구동부와 제2 구동부가 로봇 암의 구성일 경우, 제1 구동부(200)는 팔꿈치 관절 또는 어깨 관절에 해당되고, 제2 구동부(300)는 손가락 관절 또는 손목 관절 등에 해당될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의상 제1 구동부(200)가 팔꿈치 관절의 움직임을 모사하고, 제2 구동부(300)가 손가락 관절의 움직임을 모사하는 것을 예로 들어 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

유압 제어 밸브(100)는 제1 구동부(200)로부터 유체를 전달 받고, 이를 제2 구동부(300)로 전달하는 밸브 유닛일 수 있다. 유압 제어 밸브(100)는 제1 구동부(200)에 형성된 배출 포트(미도시) 중 적어도 하나에 연결되어 제1 구동부(200)로부터 유체를 분배 받을 수 있다.

여기서 배출 포트는 제1 구동부(200)을 통과한 유체가 배출되는 포트일 수 있다. 그리고, 유압 제어 밸브(100)는 전달 받은 유체를 적어도 하나의 출력유로(114)를 통해 제2 구동부(300)로 전달할 수 있다. 유압 제어 밸브(100)에 대한 자세한 내용은 후술한다.

제어부(500)는 유압 조절 유닛 및/또는 유압 제어 밸브(100)를 제어 하여 제1 구동부(200) 및/또는 제2 구동부(300)로 전달되는 유량을 조절하는 프로세서일 수 있다. 제어부(500)는 유압 조절 유닛 및/또는 유압 제어 밸브(100)에 제어 신호를 전달할 수 있도록, 유압 조절 유닛 및/또는 유압 제어 밸브(100)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 제어부(500)는 유압 조절 유닛 및/또는 유압 제어 밸브(100)와 전기적으로 연결되고, 제어 신호로서 전기적 신호를 전달할 수 있다. 제어부(500)에 대한 상세한 설명은 유압 제어 밸브(100)를 설명하며 후술한다.

센서부(400)는 제2 구동부(300)의 구동중에 외부 물체에 의한 간섭을 파악하기 위한 구성일 수 있다. 예를 들어, 센서부(400)는 출력라인(120, 도 3 참조) 내의 유압 변화를 센싱하는 유압센서를 포함할 수 있다. 출력라인(120)에 대한 설명은 후술한다.

유압센서는 출력라인(120)의 유압값을 나타내는 센싱값을 제어부(500)로 전송하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 유압센서는 소정 주기마다 센싱값을 제어부(500)로 전송하도록 구성될 수 있다. 또 다른 예로, 유압센서는, 센싱값이 소정 수치 이상일 경우, 센싱된 유압값을 제어부(500)로 전송하도록 구성될 수 있다.

한편, 제어부(500)는 어느 하나의 유압센서가 센싱한 센싱값을 기초로 외부 물체의 간섭 유무를 판단하거나, 복수의 유압센서의 센싱값을 비교하여 외부 물체의 간섭 유무를 판단할 수 있다.

전자의 경우는, 유압센서의 센싱값이 기설정된 값 이상의 유압 수치를 나타내는 경우일 수 있다. 여기서, 기설정된 값은 제2 구동부(300)의 정상 작동 시 일반적인 출력라인(120) 내의 유압 범위를 고려하여 설정될 수 있다.

후자의 경우 제어부(500)는, 각기 서로 다른 출력라인(120)의 유압을 센싱하는 유압센서들의 센싱값을 기초로, 외부 물체의 간섭 여부를 판단하는 경우일 수 있다. 설명의 편의상, 이하에서는 서로 다른 출력라인(120)을 각각 제1 출력라인과 제2 출력라인으로 칭한다. 또한, 제1 출력라인 내에 배치되는 유압센서를 제1 유압센서, 제2 출력라인 내에 배치되는 유압센서를 제2 유압센서라고 칭한다.

한편, 제1 출력라인과 제2 출력라인은 각기 서로 다른 유압라인(130, 도 3 참조)들과 연결될 수 있다. 유압라인(130)에 대한 자세한 설명은 도 3 및 도 4를 참조하여 후술한다. 또한, 제1 출력라인과 제2 출력라인은 각기 서로 다른 제2 구동부(300)의 하부 구성요소에 유압을 전달하도록 형성될 수 있다.

예를 들어, 제2 구동부(300)가 손가락을 가진 로봇의 핸드(메인구동유닛)라면, 제1 출력라인은 어느 하나의 손가락(제1 서브구동유닛)의 구동을 위해 작동유를 전달하고, 제2 출력라인은 제1 출력라인과 다른 손가락(제2 서브구동유닛)과 연결되어 작동유를 전달할 수 있다.

이때, 제어부(500)는 제1 유압센서와 제2 유압센서 각각에 의한 센싱값들을 수신 및 비교하여 센싱값들이 차이가 미리 설정한 값 이상일 경우, 외부 물체의 간섭이 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 보다 상세하게, 센싱값들의 차이가 미리 설정한 값 이상이면, 제어부(500)는 더 높은 유압을 센싱한 유압센서에 대응되는 서브구동유닛에 외부 물체의 간섭이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 이때, 유압센서에 대응되는 서브구동유닛이란, 유압센서가 설치된 출력라인과 연결된 서브구동유닛일 수 있다. 이때, 미리 설정한 값은, 정상적인 작동 상황에서 서로 다른 출력라인에 발생할 수 있는 유압 차이를 고려하여 설정될 수 있다.

또 다른 예로, 제1 유압센서는 출력라인(120)에 배치되고 제2 유압센서는 회귀라인(미도시)에 배치될 수 있다. 여기서 회귀라인은 제2 구동부(300)를 통과한 유체를 유압공급원으로 전달하기 위한 유로일 수 있다. 상술한 예와 마찬가지로 또는 유사하게, 센싱값들의 차이가 미리 설정된 값 이상일 경우, 제어부(500)는 제2 구동부(300)에 외부 물체의 간섭이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.

<유압 제어 밸브>

이하에서는, 도 1, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 유압 제어 밸브(100)에 대하여 설명한다. 이때, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터가 유압라인을 개방한 상태에서의 유압 제어 밸브에 대한 개략적인 단면도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 액추에이터가 유압라인을 폐쇄한 상태에서의 유압 제어 밸브에 대한 개략적인 단면도이다.

도 1, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유압 제어 밸브(100)는, 밸브하우징(111, 112a, 112b, 112c, 112d), 유압라인(130), 출력라인(120) 및 압전 액추에이터(140)를 포함할 수 있다.

밸브하우징(111, 112a, 112b, 112c, 112d)은 유압 제어 밸브(100)에 포함된 다른 구성요소들의 배치상태를 유지하도록, 유압 제어 밸브(100)의 골격을 형성하는 구성요소일 수 있다. 구체적으로, 밸브하우징(111, 112a, 112b, 112c, 112d)은, 유체가 이동되는 공간을 확보하는 유압블록(111)과 압전 액추에이터(140)를 내부에 배치하는 액추에이터하우징(112a, 112b, 112c, 112d)으로 구분될 수 있다.

유압블록(111)의 일측면에는 제1 구동부(200)와 유체 소통되는 유입유로(113a, 113b, 113c, 113d)들이 형성될 수 있다. 유입유로(113a, 113b, 113c, 113d)는 유압블록(111)의 일측면에서 돌출된 형상으로 구비될 수 있으며, 일단에 유압라인(130)과 소통되는 유입구(미부호)가 형성될 수 있다. 각각의 유입구는 유압호스 등 공지된 방법을 통하여 제1 구동부(200)와 유체 소통 가능하게 연결될 수 있다. 복수의 유입유로(113a, 113b, 113c, 113d)에는 제1 구동부(200)에서 전달된 유체가 분지되어 유동될 수 있다. 또한, 각각의 유입유로(113a, 113b, 113c, 113d)는 어느 하나의 유압라인(130)과 연결될 수 있다.

유압라인(130)은 유압블록(111)의 내부에 형성된 유로일 수 있다. 유압블록(111)의 내부에는 복수의 유입유로(113a, 113b, 113c, 113d) 각각에 대응되도록 복수의 유압라인(130)이 형성될 수 있다. 유입유로(113a, 113b, 113c, 113d)를 통해 유압라인(130)으로 유입된 유체들은, 유압라인(130)을 거쳐 출력라인(120)으로 이동될 수 있다. 이때, 상술한 것처럼 출력라인(120)이 복수 개일 경우, 복수의 유압라인(130) 중 일부는 다른 일부와 서로 다른 출력라인(120)에 연결될 수 있다.

한편, 각각의 유압라인(130)에는 서로 동일 또는 유사한 유량이 유동될 수 있다. 또는 각각의 유압라인(130)에는 서로 다른 유량이 유동될 수 있다.

후자의 예로, 각각의 유압라인(130)은 각각 서로 다른 유량의 진입을 허용하는 오리피스부(131)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 오리피스부(131)는 오리피스부(131)에 대하여 상류보다 하류의 유량의 감소되도록 하는 제한 오리피스(Restriction Orifice)일 수 있다.

오리피스부(131)는 유압라인(130) 및/또는 유입유로(113a, 113b, 113c, 113d)의 내에 마련된 원판형의 플레이트 부재로 구비될 수 있다. 오리피스부(131)의 외측면은 유압라인(130) 및/또는 유입유로(113a, 113b, 113c, 113d)와 연결될 수 있다. 또한, 오리피스부(131)의 중앙부에는 유체의 진입을 허용하는 관통홀(132)이 형성되어 있을 수 있다. 오리피스부(131)의 상류를 지나는 유체는 오리피스부(131)의 플레이트 부분에 저항을 받고, 유량의 일부분만이 관통홀(132)을 통해 오리피스부(131)의 하류로 진입될 수 있다.

서로 다른 유압라인(130)과 소통하는 오리피스부(131)에는 서로 다른 직경의 관통홀이 형성될 수 있다. 이로 인하여, 서로 다른 유압라인(130)에는 각각 서로 다른 유량이 유동될 수 있다.

상술한 예에서는, 서로 다른 오리피스부(131)를 이용하여, 유압라인(130)에 유동되는 유량을 변경하는 예를 들었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또 다른 예로, 각각의 유압라인(130)은 서로 다른 직경을 갖도록 형성되어, 이로 인하여 각각 서로 다른 유량이 유동될 수도 있을 것이다.

한편, 개방된 상태에서 각각의 유압라인(130)에는 제1 구동부(200)로 공급되는 유량보다 적은 유량이 유동될 수 있다. 이로 인하여, 본 발명은 밸브하우징(111, 112a, 112b, 112c, 112d) 및 압전 액추에이터(140)에 대한 설계 부담이 감소되며, 콤팩트한 구성으로 인해 밸브 소형화를 구현할 수 있다. 바람직하게, 개방된 상태에서 각각의 유압라인(130)에는 시간당 0.05lpm 이상 및 2lpm 이하의 유량이 유동될 수 있다.

출력라인(120)은 유압블록(111) 내부에 형성된 유로일 수 있다. 출력라인(120)에는 연결된 유압라인(130)들로부터 이동된 유체가 합해져서 유동될 수 있다. 출력라인(120)을 통과한 유체는 이후 대응되는 출력유로(114)를 지나 제2 구동부(300)로 전달될 수 있다. 이로 인하여, 제2 구동부(300)에는 개방된 유압라인(130)들에 대응되는 유량이 전달될 수 있다.

유압블록(111)의 타측면에는 제2 구동부(300)와 유체 소통되는 출력유로(114)가 돌출되어 형성될 수 있다. 출력유로(114)는 어느 하나의 출력라인(120)과 연결되며, 출력유로(114)의 수는 유압블록(111) 내부에 형성된 출력유로(114)의 수와 일치할 수 있다. 또한, 출력유로(114)는 유입유로(113a, 113b, 113c, 113d)가 제1 구동부(200)와 연결되는 방법과 동일 또는 유사한 방법으로 제2 구동부(300)와 유체 소통 가능하게 연결될 수 있다.

각각의 액추에이터하우징(112a, 112b, 112c, 112d)은 유압블록(111)의 상측면 상에 안착되어 위치될 수 있다. 또한, 각각의 액추에이터하우징(112a, 112b, 112c, 112d)은 어느 하나의 압전 액추에이터(140)를 수용할 수 있다. 압전 액추에이터(140)는 액추에이터하우징(112a, 112b, 112c, 112d)에 지지된 상태로 하단부가 유압라인(130)의 내부에 위치될 수 있다.

보다 상세하게 각각의 압전 액추에이터(140)는 각각 서로 다른 유압라인(130)에 구비되며, 구비된 곳의 유압라인(130)을 개폐하도록 형성된다. 이를 위해, 압전 액추에이터(140)는 제어부(500)의 전기적 신호를 전달 받으면 형상이 변형되는 압전소자를 포함할 수 있다.

도 3 내지 도 4를 참조하여 설명을 지속하면, 압전 액추에이터(140)는 전기적 신호인 제어 신호의 인가 여부에 따라 형상이 변형되어, 유압라인(130)을 개방하거나 폐쇄할 수 있다.

예를 들어, 압전 액추에이터(140)는 제어 신호가 인가되어 도통된 상태(ON 상태)에서 도 3에 도시된 바와 같이 유압라인(130)을 개방하고, 전류가 흐르지 않는 상태(OFF 상태)에서 도 4에 도시된 바와 같이 유압라인(130)을 폐쇄하도록 구성될 수 있다.

전류가 공급되지 않으면, 압전 액추에이터(140)의 하단부는 유압라인(130)의 하단측 내벽에 인접하도록 위치될 수 있다. 이 상태에서 압전 액추에이터(140)는 몸체로 유압라인(130)를 막아 출력라인(120)으로 유체가 공급되는 것을 방지할 수 있다.

압전 액추에이터(140)에 전기적 신호가 전달되면, 압전 액추에이터(140)의 형상이 변형되어, 압전 액추에이터(140)의 하단부가 유압라인(130)의 상단측 내벽에 인접될 수 있다. 이 상태에서, 압전 액추에이터(140)의 하단부는 유압라인(130)의 상측 내벽과 유사한 높이에 위치될 수 있다. 또한, 이 상태에서, 유압라인(130)이 개방되어 해당 유압라인(130)을 통해 출력라인(120)으로 유체가 이동될 수 있다.

이하에서는, 압전 액추에이터(140)가 ON 상태에서 유압라인(130)이 개방되고, OFF 상태에서 폐쇄되는 것을 예로 설명하나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 압전 액추에이터(140)는 반대로 OFF 상태에서 유압라인(130)을 개방하고, ON 상태에서 유압라인(130)을 폐쇄하도록 구비될 수도 있을 것이다.

상술한 설명에서, 압전 액추에이터(140)는 적층 타입의 압전 액추에이터(Piezo-Electric Stack Actuator)일 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상, 압전 액추에이터(140)가 적층 타입의 압전 액추에이터인 것으로 가정하여 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

<유압라인 개폐 제어>

제어부(500)는 복수의 유압라인(130)의 각각에 구비된 압전 액추에이터(140)의 ON/OFF를 선택 및/또는 조합하여 출력라인(120)과 출력유로(114)를 통해 제2 구동부(300)로 전달되는 유량을 조절할 수 있다.

설명의 편의를 위하여, 이하에서는, 유압라인(130) 및 압전 액추에이터(140)가 각각 4개씩 구비되며, 4개의 유압라인(130)이 하나의 출력라인(120)에 연결된 것을 예로 들어 설명한다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 유압라인(130), 압전 액추에이터(140) 및 출력라인(120)의 수와 그 연결 관계는 변경될 수 있을 것이다.

이때, 각각의 유압라인(130)에 동일 또는 유사한 유량이 유동되는 경우와, 각각의 유압라인(130)마다 서로 다른 유량이 유동되는 경우에 따라, 출력라인(120)을 통해 공급될 수 있는 유량의 경우의 수가 달라질 수 있다.

먼저, 각각의 유압라인(130)에 동일 또는 유사한 유량이 유동되는 경우에는, 각각의 유압라인(130)의 직경 및 단면적이 동일 또는 유사할 수 있다. 제어부(500)는 ON/OFF되는 압전 액추에이터(140)의 수를 조절하여, 최종적으로 출력라인(120)에서 합쳐져 유동되는 유체의 유량을 조절할 수 있다.

이 경우, 압전 액추에이터(140)의 ON/OFF에 따라 결정되는 유량의 경우의 수는 압전 액추에이터(140)의 수+1(또는, 유압라인의 수+1)의 경우의 수를 가질 수 있다. 상술한 예에서는 모든 압전 액추에이터(140)가 OFF인 경우, 1개의 압전 액추에이터(140)가 ON인 경우, 2개의 압전 액추에이터(140)가 ON인 경우, 3개의 압전 액추에이터(140)가 ON인 경우 및 모든 압전 액추에이터(140)가 ON인 경우까지 5가지 경우가 있다.

한편, 각각의 유압라인(130)마다 서로 다른 유량이 유동되는 경우는, 전술한 것처럼, 각각의 유압라인(130)의 직경 및/또는 단면적은 동일 또는 유사하되, 각각 서로 다른 오리피스부(131)와 소통되는 경우일 수 있다. 또는 각각의 유압라인(130)이 서로 다른 직경 및/또는 단면적을 갖는 경우일 수 있다.

이 경우, 유압라인(130)들의 개폐에 의한 경우의 수는 아래의 표 1과 같을 수 있다.

위 표에서, 제1 유압라인, 제2 유압라인, 제3 유압라인 및 제4 유압라인은 개방된 상태에서 서로 유동되는 유량이 다르게 구비된다. 예를 들어, 제1 유압라인은 제1 크기의 관통홀이 형성된 오리피스부와 연결되고, 제2 유압라인은 제2 크기의 관통홀이 형성된 오리피스부와 연결되고, 제3 유압라인은 제3 크기의 관통홀이 형성된 오리피스부와 연결되고, 제4 유압라인은 제4 크기의 관통홀이 형성된 오리피스부와 연결될 수 있다. 이때, 제1 크기 내지 제4 크기의 관통홀은 서로 면적 및/또는 직경이 다를 수 있다.

또는, 제1 유압라인은 제1 단멱적(제1 직경)을 갖도록 형성되고, 제2 유압라인은 제2 단멱적(제2 직경)을 갖도록 형성되고, 제3 유압라인은 제3 단멱적(제3 직경)을 갖도록 형성되고, 제4 유압라인은 제4 단멱적(제4 직경)을 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 제1 단면적(제1 직경) 내지 제4 단면적(제4 직경)은 각기 서로 다를 수 있다.

위의 표와 같이, 유압라인(130) 각각 마다 허용하는 유량이 다를 경우, 출력라인(120)에 유동될 수 있는 유량의 경우의 수는 2의 n승(n은 유압라인/압전 액츄에이터의 수)되게 된다. 따라서, 간단히 압전 액추에이터(140)들의 ON/OFF를 선택 및 조합하는 것 만으로 제2 구동부(300)로 전달되는 유압을 다양하게 형성할 수 있는 이점이 존재한다.

<PWM(펄스 폭 변조, pulse width modulation) 제어>

또한, 제어부(500)는 압전 액추에이터(140)의 유압라인(130)에 대한 개방 주기 및 개방 시간을 조절하여, 개방 주기 동안 출력라인(120)으로 이동되는 평균 유량을 조절할 수 있다. 개방 시간은 압전 액추에이터(140)가 한번 ON 상태로 전환된 후 ON 상태를 유지하는 시간이며, 개방 주기는 압전 액추에이터(140)가 ON 상태 또는 OFF 상태로 전환되며 일련의 반복되는 사이클을 완수하는 데 소요되는 시간일 수 있다. 이때, 개방 주기 동안 출력라인(120)에 유동되는 평균 유량은, 개방 주기와 유압라인(130)의 총 개방 시간의 비율에 의해 정해질 수 있다.

구체적으로, 제어부(500)는 압전 액추에이터(140)에 사각파 형태의 전기 신호를 인가하고, 압전 액추에이터(140)는 전기 신호에 대응하여, 빠르게 ON/OFF 상태 전환을 반복할 수 있다. 이로 인해, 제어부(500)은 디지털 신호를 이용하여, 출력라인(120)으로 전달되는 유량의 아날로그적 제어가 가능할 수 있다.

사각파는 하이 레벨 신호와 로우 레벨 신호가 나타내는 신호의 파형이 대략 사각형 모양인 신호이며, 펄스 폭 변조 제어에 이용되는 신호일 수 있다. 압전 액추에이터(140)는 하이 레벨 신호가 인가되는 동안 ON 상태를 유지하며, 로우 레벨 신호가 인가되는 동안 OFF 상태로 전환될 수 있다.

제어부(500)는 사각파의 폭(하이 레벨 신호의 유지 시간)과 주기를 조절하여, 압전 액추에이터(140)에 대한 듀티 사이클(duty cycle)을 조절할 수 있다. 이때, 사각파의 폭은 개방 시간을 결정하며, 사각파의 주기는 개방 주기를 결정하는 요소일 수 있다.

특히, 본 제어 방식에 따를 경우, 압전 액추에이터(140)는 1000Hz 이상의 허용 주파수를 가지고 있어, 보다 연속적인 값의 유량 제어가 가능한 이점이 있다.

<제2 실시예>

이하에서는, 제1 실시예에 대한 설명을 참고하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유압 구동 시스템 및 그에 포함된 유압 제어 밸브에 대하여 설명한다. 중복된 설명을 생략하기 위하여, 제1 실시예와 동일하거나 유사한 부분에 대하여는 그 설명을 생략하며, 제1 실시예와 동일하거나 유사한 구성에 대하여는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.

먼저, 제2 실시예를 설명하기 위한 도면을 살펴보면, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터가 유압라인을 개방한 상태에서의 유압 제어 밸브에 대한 개략적인 단면도이다. 또한, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터가 유압라인을 폐쇄한 상태에서의 유압 제어 밸브에 대한 개략적인 단면도이다.

도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 유압 구동 시스템 및 그에 포함된 유압 제어 밸브는, 제1 실시예와 다른 형태의 압전 액추에이터(141)를 포함할 수 있다.

보다 상세하게, 제2 실시예에 이용되는 압전 액추에이터(141)는 벤더 타입(Piezo bender)의 압전 액추에이터(Piezo-Electric Actuator)일 수 있다. 예를 들어, 압전 액추에이터(141)는 플레이트 벤더(Plate bender) 타입이거나, 링 벤더(Ring bender) 타입이거나 또는 그와 유사한 형태의 압전 액추에이터로 구비될 수 있다.

평상시에 압전 액추에이터(141)는, 도 5와 같이 유압블록(111) 및/또는 유압라인(130)의 일측 내벽에 밀착상태를 유지하도록 마련될 수 있다. 이 상태에서 유압라인(130)은 개방되고, 작동유(O)는 개방된 유압라인(130)을 통해 출력라인(120)으로 유동된다.

압전 액추에이터(141)로 제어 신호가 인가되면, 압전 액추에이터(141)는 도 6과 유사하게 형상이 변형될 수 있다. 구체적으로, 압전 액추에이터(141)의 중심부는 유압블록(111)의 일측 내벽으로부터 이격되는 방향으로 돌출된다. 압전 액추에이터(141)의 형상 변형은 중심부가 유압라인(130)의 타측 내벽에 밀착될 때까지 지속될 수 있다.

이 상태에서 압전 액추에이터(141)는 그 몸체로 유압라인(130) 내부의 일 구간을 가로막게 된다. 이로 인하여, 작동유(O)의 출력라인(120)으로 이동이 방지되며, 제2 구동부(300)로 공급되는 유압이 차단될 수 있다. 이때, 유압 액추에이터(141)는 작동유(O)의 유압에 의한 힘을 버틸 수 있는 강성을 갖도록 형성될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 제2 구동부(300)는 적은 힘으로 구동 가능하므로, 유압 제어 밸브의 소형화를 위해 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 액추에이터(141)는 얇은 두께를 갖도록 형성될 수 있다.

예를 들어, 유압라인(130)에 유동되는 작동유(O)에 의한 힘을 고려하여, 압전 액추에이터(141)는 약 수 mm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 압전 액추에이터(141)의 두께는 약 1~2mm 사이 값을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명이 상술한 수치 범위에 한정되는 것은 아니며, 압전 액추에이터(141)의 두께는, 제2 구동부(300)에 요구되는 힘에 따라 상술한 수치보다 더 얇은 값을 갖도록 마련될 수도 있을 것이다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 유압 제어 밸브
111: 유압블록
112a, 112b, 112c, 112d: 액추에이터하우징
113a, 113b, 113c, 113d: 유입유로
114: 출력유로 120: 출력라인
130: 유압라인 131: 오리피스부
132: 관통홀 140, 141: 압전 액추에이터
200: 제1 구동부 300: 제2 구동부
400: 센서부 500: 제어부
O: 작동유

Claims

유압에 의해 구동되는 제1 구동부;
유압에 의해 구동되는 제2 구동부;
상기 제1 구동부로부터 유체를 전달 받으며, 상기 유체를 상기 제2 구동부로 전달하는 유압 제어 밸브; 및
상기 유압 제어 밸브와 전기적으로 연결되며, 상기 제2 구동부로 전달되는 유량를 조절하는 제어부;를 포함하는 유압 구동 시스템에 있어서,
상기 유압 제어 밸브는,
밸브하우징;
상기 밸브하우징 내에 형성되며, 상기 제1 구동부로부터 전달된 상기 유체가 분지되어 유동하는 복수의 유압라인;
각각의 상기 유압라인에 구비되고, 상기 제어부에 의한 전기적 신호에 의해 형상이 변형되어 상기 유압라인을 개방하거나 폐쇄하는 복수의 압전 액추에이터; 및
복수의 상기 유압라인 중에서 개방된 상태의 상기 유압라인을 통과한 상기 유체가 합해져서 유동되며, 합해진 상기 유체를 상기 제2 구동부로 전달하는 출력라인;을 포함하는, 유압 구동 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 제어부는,
복수의 상기 압전 액추에이터 중에서 상기 유압라인을 개방하는 압전 액추에이터의 수를 조절하여, 상기 출력라인을 통해 상기 제2 구동부로 전달되는 유량을 조절하는, 유압 구동 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 제어부는,
각각의 상기 압전 액추에이터에 대한 상기 유압라인을 개방하는 시간 및 상기 유압라인의 개방 주기를 조절하여, 상기 개방 주기 동안 평균적으로 상기 제2 구동부에 전달되는 유량를 조절하는, 유압 구동 시스템.
제3 항에 있어서,
상기 전기적 신호는 사각파 형태로 상기 압전 액추에이터에 전달되며,
상기 제어부는,
상기 사각파의 폭 및 주기를 변경하여, 상기 유압라인을 개방하는 시간 및 상기 유압라인의 개방 주기를 조절하는, 유압 구동 시스템.
제1 항에 있어서,
개방된 각각의 상기 유압라인에 서로 다른 유량이 유동되도록, 각각의 상기 유압라인은 서로 다른 유량의 진입을 허용하는 오리피스부와 유체 소통되는, 유압 구동 시스템.
제1 항에 있어서,
복수의 상기 유압라인은,
개방된 상태에서 서로 다른 유량이 유동되도록, 제1 단면적을 갖는 제1 유압라인과 상기 제1 단면적과 상이한 제2 단면적을 갖는 제2 유압라인을 포함하는, 유압 구동 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 제2 구동부의 구동 과정 중에, 외부 물체의 간섭에 따른 상기 출력라인 내부의 유압 변화를 파악할 수 있도록, 상기 출력라인 내에 배치되어 상기 출력라인 내부의 유압을 센싱하는 유압센서;를 더 포함하는, 유압 구동 시스템.
제7 항에 있어서,
상기 출력라인은 각기 서로 다른 상기 유압라인에 연결된 제1 출력라인과 제2 출력라인을 포함하며,
상기 유압센서는, 상기 제1 출력라인 내에 배치되는 제1 유압센서와 상기 제2 출력라인 내에 배치되는 제2 유압센서를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 제1 유압센서와 상기 제2 유압센서의 센싱값 차이를 기반으로 상기 외부 물체의 간섭 여부를 판단하는, 유압 구동 시스템.
제7 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 유압센서의 센싱값이 미리 설정된 값 이상이 될 경우, 상기 외부 물체의 간섭이 존재하는 것으로 판단하는, 유압 구동 시스템.
제1 항에 있어서,
각각의 상기 유압라인은,
개방된 상태에서 상기 출력라인으로 0.05lpm 이상 및 2lpm 이하의 유량을 전달하는, 유압 구동 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 압전 액추에이터는,
OFF 상태에서, 단부가 상기 유압라인의 일단측에 위치되어 상기 유압라인을 개방하며,
ON 상태에서, 단부가 상기 유압라인의 타단측으로 이동하여 상기 상기 유압라인을 폐쇄하는, 유압 구동 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 압전 액추에이터는,
ON 상태에서, 단부가 상기 유압라인의 일단측에 위치되어 상기 유압라인을 개방하며,
OFF 상태에서, 단부가 상기 유압라인의 타단측으로 이동하여 상기 상기 유압라인을 폐쇄하는, 유압 구동 시스템.