KR970006070B1 - 전자기 액튜에이터 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

전자기 액튜에이터

본 발명의 특성 및 목적을 충분히 이해하기 위해서, 이후의 상세한 설명에 대해 다음과 같은 첨부도면을 참조해야 한다. 여기에서,

제1도는 본 발명의 따른 선형 액튜에이터의 제1실시예의 상대이동의 축을 따라서 취한 단면도이며,

제2도는 제1도의 2-2선을 따라 취한 단면도이며,

제3도는 제1도의 3-3선을 따라 취한 단면도이며,

제4도는 본 발명에 따른 선형 액튜에이터의 제2실시예의 상대이동의 축을 따라 취한 단면도이며,

제5도는 제4도의 5-5선을 따라 취한 단면도이며,

제6도는 본 발명에 따른 선형 액튜에이터의 제3실시예의 상대이동의 축을 따라 도시한 도면이며,

제7도는 제6도에 도시된 실시예의 액튜에이터 조립체의 상대위치와 출력 작동력과의 관계를 도시한 그래프이며,

제8도는 본 발명에 따른 특징을 하나이상 포함하는 회전형 액튜에이터의 제1실시예를 도시하는 도면이며,

제9도는 본 발명에 따른 특징을 하나이상 포함하는 회전형 액튜에이터의 제2실시예를 도시하는 도면이다.

본 출원은 공동 계류중 현재의 케이쓰 오.스튜어트(Keith O. Sturat)명의의 1990. 3. 27자 미합중국 특허 제4,912,343호(이후로 제343호 특허로 지칭함)로 특허 허여된 1989. 3. 7자 미합중국 특허원 제07/319956호의 부분 연속 출원이며, 반대로 미합중국 제07/319956호는 현재의 포기된 1988. 8. 31자 미합중국 특허원 제07/238,925호의 부분 연속 출원이다.

본 발명은 대체로 전자기 액튜에이터 장치에 관한 것이며, 특히 비교적 낮은 수준의 전기입력 신호에 반응하여 비교적 큰 출력 작동력을 제공할 수 있는 개선된 전자기 액튜에이터 장치에 관한 것이다.

전자기 액튜에이터는 널리 공지되어 있다. 많은 적용예에 있어서, 액튜에이터의 출력 작동력은 전기제어 또는 명령신호에 의해 제어되고 또한 이들의 함수가 되며, 다양한 적용예에서도 이러한 액튜에이터가 사용될 수 있다. 이러한 액튜에이터는 선형 액튜에이터와 회전형 액튜에이터를 포함하며, 많은 적용예에 사용될 수 있다. 에컨데, 1990. 1. 9자로 허여되어 본 출원인에게 양도된 미합중국 특허 제4,892,328호(이후로 제328호 특허로 지칭함)에 기재되어 있는 바와 같이, 차량 프레임에 대한 차량의 차대의 수준 및 정향도를 제어하기 위한 활동식 차대받이 장치(activ suspension system) 전자기 지지대 조립체의 일 구성품으로 선형 액튜에이터가 채용된다.

이보다 개선된 액튜에이터는 제343호 특허에 기재되어 있다. 선형 또는 회전형으로 될 수 있는 액튜에이터는 비교적 작은 수준의 명령신호에 반응하여 비교적 큰 출력 작동력을 제공할 수 있다. 상기 특허장치는 동축상으로 장착되고 공통의 축을 따라 서로에 대해 이동될 수 있는 제1 및 제2의 원통형 조립체를 포함한다. 또한, 액튜에이터는 반경 방향으로 인도되는, 조립체의 하나이상의 단면에 걸친 내측 반경방향으로의 자속(flux) 및 조립체의 다른 하나이상이 단면에 걸친 외측 반경방향으로의 자속을 형성하기 위한 수단을 포함한다. 코일 조립체는 공통의 축에 대해 동축상으로 설치되는 두 개이상의 원통형 코일 절편을 포함하며, 하나의 코일 절편은 각각의 자속의 경로내에 배치된다. 렌즈 법칙(Lenz′s Law)에 따라 발생되어 제1 및 제2의 조립체 사이에 가해지는 자속/전류의 작동력이 부가될 수 있도록, 전류를 반경방향을 따라 내측으로 인도되는 자속내에 배치된 상기 코일 절편들을 통해 공통의 축둘레를 따라 일방향으로 흐르게 하고, 또한 전류를 반경방향을 따라 외측으로 인도되는 자속내에 배치된 상기 코일 절편들을 통해 공통의 축둘레를 따라 반대방향 흐르게 하기 위하여 코일 절편들에 제어신호를 가하기 위한 수단이 제공된다.

제343호 특허에 기재된 적합한 실시예에서는 상대적인 이동의 축 둘레에 동축상으로 배치되는 3개의 코일을 채용하고 있다. 축방향으로 이격되어 떨어져 있는 한쌍 이상의 원통형 자속은 자석이 자석으로부터 반경 방향으로 인도되도록 각각 반경방향을 따라 분극되어 있으며, 내측의 코일 및 중앙의 코일 사이에 위치되어 있다. 유사한 또다른 한쌍 이상의 자석은 중앙의 코일과 외측의 코일 사이에 위치된다. 자석은, 예컨데 니오듐-철-붕소 또는 사마륨-코발트와 같은, 비교적 높은 자속을 생성하는 고자력 에너지 생성물로 제조되는 것이 적합하다. 자석은 각각의 자석세트중 하나의 자석이 내측 반경방향으로의 자속을 제공하고, 반면에 다른 하나의 자석이 외측 반경방향으로의 자속을 제공하도록 분극되어 진다. 내측 반경방향으로의 자속을 제공하는 자석은 축방향을 따라 정렬되며, 외측으로 향하는 자속을 제공하는 자석도 각각 양극성으로 정향된 자석의 코일 조립체의 동일한 단면을 통해 모든 반경방향의 자속을 제공하도록 축방향을 따라 똑같게 정렬된다. 내측의 코일에 위치된 중앙의 철심 부재 및 외측의 코일 둘레에 위치된 원통형이 관을 모두 상대이동의 축에 동축상으로 설치되고 자석의 자속에 대한 복귀경로를 제공한다.

자석세트 사이와 자석의 대향된 단부에는, 렌쯔의 법칙에 의해 생성된 전류/자속 작동력이 부가되도록, 내측으로 향하는 자속을 통해 일방향으로 및 외측으로 향하는 자속을 통해 다른 방향으로 코일내에 제어전류를 가하기 위한 브러시가 설치된다. 제343호 특허에 도시된 실시예에서, 철심요소 및 외측 원통은 모두 제공되는 작동력에 따라 코일에 대해 이동된다.

제343호 특허에 도시된 구성은 비교적 낮은 수준의 명령신호에 반응하여 비교적 높은 출력 작동력을 제공하지만, 상기 특허에 도시 및 기재된 원통형 자석, 특히 비교적 큰 자석(예컨데, 4 내지 6인치 직경의 자석)을 제조하는 현비용이 도시된 액튜에이터의 전체 제작비용에 비해 높은 편이다. 또한, 니오듐-철-붕소 또는 사마륨-코발트와 같은 고자력 에너지 생성물로 제조되는 자석은 환경조건에 민감한 경향이 있고 불리한 환경조건을 받게될때 물리적으로 질이 저하될 수 있다. 또한, 제343호 특허에 도시된 구성에서, 코일 조립체는 두 조립체 사이에 가해지는 힘을 견딜 수 있도록 구조적으로 충분히 견고해야만 한다. 제343호 특허에 도시된 지지대 조립체와 같은 몇몇 적용예에 있어서, 조립체가 다양한 조건들에 노출되기 때문에, 지지대 장치내의 고유 진동수를 낮추는 것이 곤란하게 된다. 끝으로, 브러시가 마모되는 경향이 있게되어, 최소한 특정 적용예에서는, 제343호에 도시된 액튜에이터가 매우 장기간의 작동 및 적은 유지보수를 요하는데 부적당한 것으로 판명될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하거나 상당히 줄일 수 있는 개선된 전자기 액튜에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제343호 특허에 도시 및 기재된 전자기 액튜에이터의 구성을 간단히 하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 제343호 특허에 기재된 형태를 가지고 액튜에이터의 전체비용을 줄일수 있도록 손쉽게 구입할 수 있는 평자석을 사용하기에 적합하게 된 전자기 액튜에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 재343호 특허의 엑튜에이터 구성원리를 사용하면서도, 자석의 수명을 높이기 위해 투자율의 재료로 제조된 자석에 방호되는 환경을 제공하는 개선된 전자기 엑튜에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 각각 상이한 적용예에 사용하기 위한 3개의 다른 전자기 액튜에이터의 구성을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 제343호에 기재된 형태 및 본원에 기재된 형태의 전자기 액튜에이터의 브러시가 없는 개선된 변형예를 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적 및 다른 목적은, (a) 제1의 조립체; (b) 명령 신호에 반응하여 상대이동의 축을 따라 제1의 조립체에 대해 이동될 수 있고, 상대이동의 축에 대한 내측 및 외측 양 방향으로의 반경방향으로 향하는 자속을 형성하기 위한 자속공급원 수단을 구비하는 제2의 조립체; (c) 내측 및 외측 방향으로의 자속경로에 각각 배치되는 2개이상의 코일절편을 형성하기 위한 코일 조립체 수단; (d) 제1 및 제2의 조립체 사이에 가해지는 자속/전류 작동력이 부가될 수 있도록, 전류를 내측으로 향하는 자속을 통해 축 둘레를 따라 일방향으로 흐르게 하고, 또한 전류를 외측으로 향하는 자속을 통해 축 둘레를 따라 반대 방향으로 흐르게 하기 위해 코일 절편에 명령신호를 가하기 위한 수단을 포함하는 형태의 개선된 전자기 액튜에이터에 의해 달성된다. 본 발명의 일 특징에 따라, 평자석 및 자속 집중 요소를 사용하여 반경 방향으로 향하는 자속을 제공한다. 본 발명의 다른 특징에 따라, 코일절편은 철심요소 위에 감겨져서 부속된 코일구성을 제공한다. 끝으로, 브러시가 없는 액튜에이터의 구성을 개시한다.

본 발명의 다른 목적은 이미 명백한 것이며, 또한 이후의 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러므로, 본 발명은 이후의 상세한 설명과, 특허청구범위에 지시된 적용 범위에서 예시된 구성품들의 특징, 성질 및 관계를 가지고 있는 제조품을 포괄한다.

도면에서, 동일한 도면부호는 동일한 또는 유사한 부품을 지칭한다.

제1도를 참조하면, 도시된 액튜에이터는 자유코일의 구성과, 제343호 특허에 특정적으로 도시된 구성을 단순화하고 개선한 구성을 가지며, 이러한 구성에서 코일은 제2의 조립체의 일부품으로서 자기회로를 형성하는 요소들에 대해 제1조의 조립체의 일부품으로서 이동된다. 특히, 대체로 도면부호(10)으로 표시된 액튜에이터는, 대향된 단부 지지부(18) 사이에 각각 고정되는 중앙의 지지축(14) 및 코일 조립체(16)을 구비하는 제1의 조립체(12)와, 반경방향으로 향하는 자속으로 제공하고 기저판(24)에 의해 지지되는 내측 및 외측의 받침대(22a,22b)에 고정된 자기회로를 형성하는 구성품들을 구비하는 제2의 조립체(20)을 포함한다. 제1 및 제2의 조립체는 제2의 조립체(20)이 상대이동의 축(30)을 따라 제1의 조립체(12)에 대해 활주되도록 상대이동의 축(30)을 형성하기 위해 공동으로 작용한다. 이후의 상세한 상세한 설명에서 알수 있듯이, 2개의 조립체는 액튜에이터에 가해지는 명령신호에 따라, 이 명령신호에 함수로서 축(30)을 따라 서로에 대해 이동될 수 있다.

상세히 설명한다면, 제1의 조립체(12)는 축(30)과 동축상으로 위치되는 중앙축(14)를 포함한다. 중앙축(14)는 이 중앙축과 지지부가 서로 함께 이동되도록 적절한 방식으로 단부 지지부(18a,18b)에 고정된다. 중앙축(14) 및 지지판(18a,18b)는 알루미늄과 같은 자기적으로 비유도성의 재료로 제조되는 것이 적합하다. 코일 조립체(16)은 원통형 관의 형태 또는 얇은 벽을 가지는 원통의 형태로 감겨지고 적절한 의해 조립체의 상단 및 하단에서 지지부(18)에 고정되어 이 지지부(18)에 매달리는 전기전도성 와이어를 포함한다. 코일 조립체(16)은 코일 와이어의 하나의 층을 포함하는 것처럼 도시되어 있다. 코일 와이어는 와이의 길이가 반경방향으로 향하고, 와이어의 폭이 축방향을 향하도록 직사각형의 단면을 가지고 직사각형의 모서리를 따라 감겨지는 것이 적합하다. 직사각형 와이어의 폭에 대한 길이의 비율은 이후에 보다 상세히 설명하는 바 와 같이, 각각의 자기장내에 배치된 와이어의 회전수를 규정한다. 코일 조립체(16)은 두개의 조립체가 서로에 대해 이동될때 축(30)에 대해 동축상으로 유지되도록 매달려진다. 코일은 전기절연재로 코딩된 전기전도성 와이어로 제조되며, 와이어의 일부는 조립체의 외측, 즉 축선을 따라 개질이 그대로 노출되어 있어서, 이후에 상세히 설명하는 바와 같이, 브러시(58,60,62)가 코일 조립체에 대해 이동될 때 노출된 와이어에 전기적으로 접속될 수 있게 되어 있다. 코일은 자체만으로 충분히 견고하도록 결합되는 것이 적합하나, 사용중 코일의 구조적 강도를 확실히 하기 위하여 흑연 화합물과 같은 적절한 경성의 부재상에 감겨질 수도 있다. 코일 조립체(16)의 코일은 축(30)을 따라 조립체의 단위길이당 동일한 회전수, 즉 동일한 와이어의 길이를 포함하도록 동일한 규격의 와이어로 균일하게 감겨진다.

제2도에 도시된대로, 단부지지부(18)은 받침대(22a,22b)에 대한 지지부의 축방향 이동이 가능하도록 형성된다. 예컨데, 도시된대로, 단부지지부는 반경방향으로 연장되는 아암(28)을 구비하도록 X자 형태의 반경방향의 단면으로 제작될 수 있으며, 동시에 받침대(22a,22b)는 아암(28) 사이에서 축(30) 둘레를 따라 동일한 각방향의 간격으로 이격되고, 아암(28)로부터 이격되는 신장된 요소 또는 로드로서 형성된다. 이렇게 구성함으로써, 두개의 조립체 사이에 상대적인 축방향의 자유이동이 가능해지며, 반면에 부품들을 반경 방향으로 고정되게 유지하는 것이 가능해진다.

제2의 조립체(20)은 대체로 자기회로를 형성하기 위한 수단과, 자기회로에 의해 생성된 자속내에 배치되는 코일 조립체(16)의 부분에 명령신호를 가하기 위한 수단을 포함한다. 특히, 제2의 조립체(20)은 중앙의 철심부재(40), 외측의 원통형 케이스(42), 자석 조립체(44,46), 자속 집중용 극부재(48,50), 브러시 지지체링(52,54,56) 및 브러시(58,60,62)를 포함한다.

특히, 제2의 조립체(20)의 중공의 중앙철심부재(40)을 포함한다. 철심부재(40)은 내측 받침대(22a)상에서 지지축(14)에 동축상을 장착되어 지지축(14)의 둘레 및 코일조립체(16)내에 배치된다. 철심부재는 축(30)에 대한 반경방향의 이동에 맞서서 고정된다. 철심부재(4)은 연철 또는 바나듐 퍼만더와 같은 자기유도성 재질로 제조된다. 철심부재(40)은 단일의 순수재 또는 방사형 박판 또는 반방사형 박판의 접합체로 제조될 수 있다.

또한, 외측의 원통형 케이스(42)는 연철 또는 바나듐 퍼만더와 같은 자기 유도성 재질 제조된다. 철심부재는, 이후의 설명에서 명백해지는 바와 같이, 자속포화를 회피하고 자기저항을 최소화할 수 있도록 성형되며, 자속포화의 회피 및 자기저항의 최소화를 달성할만큼 충분히 두꺼운 반경방향의 두께를 가진다. 케이스(42)는 자석(44,46) 및 중앙의 브러시 지지체 링(60)의 외측면과 짝을 이루는 형태를 가진 내측면을 구비한다. 이러한 측면에서, 외측 원통형 케이스(42)의 내측면은 제3도에 가장 잘 도시된 바와같은 평탄면(70)을 구비하여, 이후에 설명한 대로, 자석(44,46)이 적절한 에폭시에 의해 조립체(20)의 다른 부분에 대한 정확한 축방향의 위치 및 반경방향의 위치로 평탄면(70)에 접착될 수 있게 된다. 자석은 자석과 외측 원통형 케이스 사이의 양호한 자기상태를 확실히 할수 있도록 그 사이에 공기틈새가 존재하지 않게 평탄면(70)에 고정된다. 마찬가지로, 브러시 지지체 링(54)를 수용하는 외측 원통형 케이스(42)의 내특면은 링이 케이스(42)의 내측면에 접할될 수 있어서, 브러시 링이 또한 소정의 위치에 고정될 수 있도록 성형된다.

제343호 특허에 도시된 구성은 반경방향으로 향하는 자속을 제공하기 위해 반경방향으로 분극된 원통형 자석을 사용한다. 그러나, 이러한 자석은, 특히 보다 큰 규격의 자석(반경이 약 4 내지 6인치 단위의 자석)은 제작비용이 높으며, 열악한 환경조건에 노출되었을때 부서지기 쉽게 연약해진다. 따라서, 본 발명의 일 특징에 따라, 평자석으로 원통형 자석을 대체하며, 자석에 의해 제공되는 자속을 코일 조립체를 통해 거의 반경 방향으로 집중하기 위해, 자속을 집중시키는 극부재(48,50)의 형태로 된 수단을 채용한다.

자석(44,46)은 제2의 조립체에 대한 제1의 조립체의 어느특정 위치에서 2개의 상이한 코일 조립체(16)의 단면을 통하여 각각 내측 및 외측으로의 반경 방향을 따라 균일한 자속밀도의 자속을 제공하기 위해, 니오듐-철-붕소 또는 사마륨-코발트와 같은 영구자화재로 제조된다. 특히, 모든 자석은 동일한 크기를 가지고, 자속이 가각의 자석의 두께를 통해 넓은 평탄한 측면에 수직한 방향으로 향해지도록 각각 정향되어 분극되는 것이 적합하다. 자석(44)는 자속이 하나의 반경방향(내측으로 향하는 것으로 도시)으로 인도되도록 북극 및 남극이 정향되게 위치되며, 반면에 자석(46)은 자속이 자석(44)의 반경방향과 반대의 반경방향(외측으로 향하는 것으로 도시)으로 인도되도록 모든 극이 정향되게 위치된다.

제3도에 가장 잘 도시된대로, 각각의 세트의 자석은 축(30)의 둘레를 따라 동일한 각 방향의 간격으로 이격되며, 축(30)으로부터 동일한 거리로 이격된다. 각각의 세트의 자석은 인접한 각각의 세트내의 자석들 사이에 최소의 간격이 존재하도록 가능한한 서로 밀접하게 위치된다. 각각의 세트의 모든 자석은 동일한 축방향의 위치에 위치되어 자석들이 외측 원통형 케이스(42)의 각각의 평탄면(70)에 고정될 때 다각형의 단면을 가지는 직각기둥의 링과 유사하게 된다. 세트당 자석수는 원하는 액튜에이터의 규격에 따라 다룰 수 있다.

그러나, 이후의 설명으로 부터 보다 명배해지듯이, 자석의 수가 많아질수록 원형단면의 원통형 자석에 보다 밀접하게 유사해지고, 이에 상응하여 자속의 누출이 감소된다. 그러나, 세트당 자석수가 많아질수록, 액류에이터를 제작하기 위해 보다 많은 부품이 소요되고, 이에따라 제작비용 및 제작의 복잡도가 증가하게 된다.

각각의 자석(44,46) 세트에 의해 생성된 자속을 집중시키기 위한 수단은 각각 자속집중용 극부재(48,50)을 포함한다. 각각의 원통형 극부재(48,50)은 연철과 같은 자기유도성 재료로 제도된다. 각각의 극부재(48,50)은 제3도에서 표면(72)로 표시된 다수의 외측 평탄면(각 세트의 각각의 자석당 하나의 외측 평탄면이 대응)을 구비하여, 각 세트의 각각의 자석의 내측 평탄면이 각각의 외측 평탄면에 접착될 수 있도록 외측단면의 다각형 형태를 형성하게 된다. 이때, 또다시 적절한 접합체가 사용된다. 접합제는 각각의 자석과 이에 대응하는 평탄면(72) 사이에 최소의 실질적 공기틈새가 존재하도록 각각의 자석세트와 이에 대응하는 자속집중용 극부재 사이에 가해진다. 각각의 세트의 자석은 동일하게 정향되므로, 자속집중용 극부재 사이에 가해진다. 각각의 세트의 자석은 동일하게 정향되므로, 자속집중용 극부재는 내측으로 평행하게 향하는 자속을 평자석으로부터 필요한 내측 반경방향내로 인도할 수 있도록 성형된다.

따라서, 각각의 자속집중용 극부재(48,50)의 내측면(74)는 내측단면의 원형형상을 형성하도록 굴곡된다. 각각의 자속접중용 극부재는 내측면(74)가 축(30)과 동축상으로 되고 내측 철심부재(40)의 외측면은 물론 코일 조립체(16)으로부터 동일한 거리로 이격되게 고정된다. 각각의 자속집중용 극부재의 반경방향의 두께는 자석을 충분히 방호하고 반경방향으로 자속을 균일하게 분배하기에 충분할만큼 두껍게 제작된다. 이와같이, 자석(44,46) 및 자속집중용 극부재(48,50)은 제343호 특허에 도시된 구성의 관형자석에 의해 생성되는 자기장과 유사한 자기장을 생성한다.

따라서, 제1도 및 제3도에 도시된대로, 자석(44,46)에 의해 생성되는 자속은 거의 코일 조립체(16)을 통해 반경 방향으로 통과하며, 구체적으로 자석(44)로부터의 자속은 내측의 반경방향으로 코일 조립체(16)을 통과하는 것으로 도시되어 있고, 자석(46)으로부터의 자속은 외측의 반경방향으로 코일 조립체(16)을 통과하는 것으로 도시되어 있다. 자속의 복귀경로는 철심부재(40)의 아래에 및 외측의 원통형 케이스(42)의 위에 제공된다.

덧붙여서, 제1도에 도시된대로, 외측 케이스(42)는 자석의 대향된 단부에 축방향을 따라 위치된 단부 브러시 지지체 링(52,56)을 또한 지지한다. 제3의 브러시 지지체 링(54)는 2개의 자석세트 사이에 위치된다. 브러시 지지체 링(52,54,56)은 자석(44,46)에 의해 생성되는 원하는 자속경로를 확실히 하기 위하여, 알루미늄 또는 플라스틱과 같은 비철의 자기적으로 비유도성인 재료로 제조된다. 철심부재(40)과 외측의 원통형 케이스(42) 사이의 각각의 자석(44,46)의 면을 둘러쌈으로써, 또한 브러시 지지체 링(58,62)중 어느하나와 브러시 지지체(60) 사이의 자석의 모서리를 둘러쌈으로써, 각각의 자석에 대해 방호되는 환경이 제공된다.

제2의 조립체(20)은 2개의 조립체(12,20)이 상대이동이 축(30)을 따라 서로에 대해 용이하게 활주되도록 고정된다. 이러한 측면에서, 제1도에 도시된 바와 같이, 두개이상의 선형 베어링 조립체(90a,90b)가 2개의 조립체의 상대적인 축방향의 이동을 용이하게 하기위해 지지축(14)와 철심부재(40) 사이에 설치된다.

제1도로부터, 제1 및 제2의 조립체의 상대위치를 제어하는 제어신호를 가하기 위한 구조 및 결과적으로 생기는 전자기 회로를 찾아볼 수 있다. 특히, 내부 철심부재(40), 외측 원통형 케이스(42), 자석(44,46) 및 자속 집중용 극부재(48,50)의 축방향의 길이는 브러시 지지체 링(54)에 의해 분리되는 2개의 고자속밀도의 절편으로 구분되며, 이 영역에서 각각 자속이 내측 또는 외측으로 인도된다. 이러한 절편은 제1 및 제2의 조립체의 상대이동과 함께 코일에 대해 이동된다. 따라서, 도시된대로, 2개의 고자속 밀도의 절편은 각각 자석의 각 세트에 대응하는 2개의 상이한 축방향의 위치에 설치된다.

지지체 링(54)에 고정된 1차 제어 접촉 브러시(60)은 2개의 고자속 밀도의 절편 사이에서 코일 조립체(16)과 점접촉된다. 한쌍의 접지된 접촉브러시(58,62)는 각각 자석세트의 대향된 측면상에서 지지체 링(52,56)내 고정되며, 2개의 고자속 밀도의 절편의 대향된 단부에서 코일 조립체(16)과 점접촉된다. 브러시(58,62)는 브러시(60)으로부터 동일한 정도의 거리로 이격되어 동일한 길이의 코일 와이어가 브러쉬(58,60) 사이와 브러시(60,62) 사이에 설치된다. 각각의 브러시는 구리/흑연 화합물과 같이 전기전도성 재료로 제조된다. 차제어 접촉 브러시는 명령신호(Vc)를 수용하도록 적절히 접속되며, 반면에 접지된 접촉 브러시는 장치의 접지에 적절히 접속된다. 결과적으로, 제어신호가 접촉 브러시(60)에 가해질 때, 전류는 반대의 축방향으로 개의 접지된 브러시(58,60)으로 흐르게 된다. 상기 2개의 절편을 통해 전달되는 자속은 서로 대향되므로, 렌쯔의 법칙에 의거하여 축(30)을 따라 발생되는 작동력이 부가되고 제1 및 제2의 조립체 사이에 순수한 측방향의 작동력이 생기게 된다. 상대적인 작동력의 방향 및 크기는 양극성 및 Vc의 진폭, 즉 이에따라 브러시(58,60) 사이에 브러시(60,62) 사이에 전류의 방향에 의존하게 된다. 브러시는 제2의 조립체에 대한 제1의 조립체의 축방향 위치에 무관하게 코일 조립체와 접촉되어 유지된다.

부가적으로, 액튜에이터는 제1 및 제2의 조립체(12,20)의 상대적인 변위를 측정하기 위한 수단을 포함한다. 특히, 코일 조립체의 고정된 지점 사이에, 적합하게는 제1도에 도면부호(100)으로 표시된 일단부에 오옴메터(ohm meter)를 적용할 수 있다. 오옴메터(100)은 제1 및 제2의 조립체(12,20) 사이의 상대적인 변위를 지시하는, 지점(100)과 가장 가까운 접지된 브러시(62) 사이의 저항을 측정한다.

제1도에서 도면부호(d)로 표시된 제2의 조립체(20)의 축방향의 길이는, 제1도에서 도면부호(D)로 표시된 코일 조립체(16)의 축방향의 길이에 대하여, (D-d)가 액튜에이터의 실행정, 즉 실변위를 나타낼 수 있도록 크기가 정해진다. 따라서, 코일 조립체(16)의 일부는 항상 내측 철심부재(40)과 집중요소(48,50)사이에 배치된다. 명령신호는 제어신호(Vc)를 브러시(60)에 가함으로써 코일 조립체에 제공될 수 있다. 접지된 브러시가 장치의 접지에 접속되어 있으므로, 전류는 브러시(60)으로부터 각각의 접지된 브러시(58,60)으로 흐르게 된다. 브러시(60,58) 사이 및 브러시(60,62) 사이의 코일절편은 동일한 저항을 가지기 때문에, 전류가 상기 코일절편을 통해 반대방향으로 흐를지라고, 동일한 전류가 브러시(60,58) 사이 및 브러시(60,62) 사이에 흐르게 된다. 그러나, 상기 코일절편들을 통고하는 자속들은 또한 서로 반향 방향이다. 코일 조립체의 와이어의 방향, 결과적으로 코일 와이어를 통해 흐르는 전류의 방향은 항상 자속집중요소(48,50)의 내측 원통형면(74)에 대해 평행하다(따라서, 이후의 설명에서 명백하듯이 상기 원통형면에 직각으로 흐르는 자속에 대해 거의 수직하다). 그러므로, 렌쯔의 법칙에 따라, 자석(44)로부터 이 자석과 반경방향으로 대향된 코일 조립체(16)의 절편을 통해 흐르는 자속에 의해 생성되는 전류/자속의 산물로 발생된 축(30)을 따른 작동력이 자석(46)으로 부터의 자속에 의해 생성되는 전류/자속의 산물로 발생된 축(30)을 따른 작동력에 부가되게 된다.

제4도 및 5도에 도시된 실시예는 코일 조립체(16a)가 내측의 철심부재(40a)상에 감겨지고 이 철심부재(40a)에 고정되어 제1의 조립체(110)이 코일 조립체(16a)와 철심부재(40a)를 모두 포함한다는 점을 제외하고는, 제1도 내지 제3도에 도시된 실시예와 거의 동일하다. 따라서, 이러한 구성을 부속된 코일구성으로 지칭하기로 한다.

부속된 코일구성을 보다 상세히 설명하면, 내측 철심부재(40a)는 대향된 단부에서 대향된 단부지지부(18a,18b)에 고정된다. 직경을 최소화 하기위해 전형적으로 단일의 순수재로 되는 철심부재는 축(30)에 동축상으로 장착된다. 코일조립체(16a)는 철심부재(40a)의 거의 전길이에 대하여 철심부재(40a)상에 감겨진다. 또한, 제1의 조립체는 코일 조립체로부터 반경방향으로 이격되고 축(30)에 평행하게 정향되는 2개이상의, 적합하게는 3개이상의(제4도 및 제5도에서는 4개가 도시됨 지지로드(114)를 포함하여, 제2의 조립체(112)를 활주식으로 수용하기 위한 원통형 공간을 형성한다. 또는, 부싱으로 지지로드(114)는 대체하여 제2의 조립체(112)의 대향된 반경방향의 단부에서 제2의 조립체(112)를 제1의 조립체(110)에 결합시키는데 사용할 수 있다.

제2의 조립체(112)는 제1도 내지 제3도에 도시된 것과 동일한 형태를 가지는, 원통형 케이스(42), 자석(44,46)세트, 자속집중요소(48,50), 브러시 지지체 링(52,54,56) 및 브러시(58,60,62)를 포함한다. 이 제2의 조립체(112)는 제2의 조립체(112)가 브러시(60)에 가해지는 명령신호(Vc)에 반응하여 축(30)을 따라 축방향으로 제1의 조립체(110)에 대해 자유롭게 이동되도록 선형 베어링(116)과 같은 적절한 수단에 의해 지지로드(114)상에 장착된다. 도시를 생략하였으나, 제2의 조립체는 2개의 조립체 사이에 발생되는 작동력이 액튜에이터에 사용되는 적절한 구조에 전달되도록 제2의 조립체를 제1의 조립체에 연결하기 위한 적절한 지지체를 또한 포함한다. 제1도 내지 제3도에 도시된 실시예에서와 같이, 액튜에이터의 총 실행정은 D(코일 조립체(16)의 길이)에서 d(제2의 조립체의 축방향 길)를 뺀 길이이다. 부속된 코일구성은 제1 및 제2의 조립체(110,112)의 변위를 측정하기 위한 수단을 또한 포함할 수 있다. 특히, 2개의 조립체(110,112)사이의 상대적인 변위를 지시하도록 지점(100)과 접지된 브러시(62) 사이의 저항을 측정하기 위해 지점(100)과 접지된 브러시(62)에 오옴메터(102)를 부착할 수 있다.

자유코일 및 부속된 코일구성은 각각 그 나름대로의 이점을 가진다. 부속된 코일구성은 액튜에이터에 의해 발생되는 작동력을 지지하기에 충분히 구조적으로 견실할만큼 부품의 수가 감소되고 코일 지지체의 필요성이 제거되기 때문에 자유코일의 실시예보다 제작하기가 보다 간단하다. 적용예에 따라 유리할수도 또는 불리할 수도 있는 2개의 구성의 또다른 차이점은 부속된 코일구성이 중앙의 철심주재(40a)에서 형성된 맴돌이 전류(eddy-current)에 의해 유발되는 감쇠효과의 증가를 나타낸다는 것이다. 자기장은 철제의 철심부재에 대해 이동되기 때문에, 철심부재와 자기조립체 사이의 상대속도에 비례하는 작동력이 발생되어 때문에, 철심부재와 자기조립체 사이의 상대속도에 비례하는 작동력이 발생되어 속도를 발생시키는 작동력을 방해하게 된다. 그러나, 자유조립의 구성의 이점은 자유 코일 조립체(16)의 철심부재(40)의 질량이 부속된 코일 조립체(16a)의 철심부재(40a)의 질량보다 작기 때문에, 액튜에이터가 발생된 작동력에 반응하여 이동시킬 질량이 보다 작게된다는 점이다. 따라서, 제328호 특허에 기재된 지지대 조립체와 같은, 외부작동력에 대항하기 위해 감쇠가 바람직한 적용예에 대해서는 부속된 코일구성이 적합하며, 반면에 작은 감쇠를 가지는 신속한 반응이 바람직한 적용예에서는 자유코일 구성이 적합하다.

또한, 브러시가 없는 구성이 바람직한 몇몇 적용예에서는, 제6도에 도시된 실시예를 사용할 수 있다. 도시된 바와 같이, 브러시가 없는 구성은 제4도 및 제5도의 부속된 코일구성의 변형예로서 도시되어 있다. 제6도의 액튜에이터는 내측의 철심부재(16b)를 포함한다. 내측의 철심부재(16b)는 적절한 지지링트(118)에 의해 단부지지부(18a,18b) 사이에 고정된다. 철심부재(16b)는 중립의 축방향 위치를 가지는데, 이러한 중립 위치에서 철심부재의 미리 설정된 중앙의 참조점(126)이 0점 평면(128)로 정의되는 두 개의 자석(44,46) 세트사이의 평면에 정확히 축방향으로 위치된다.

제6도의 실시예에서, 코일 조립체(16b)는, 철심부재가 중립의 위치에 있을 때 0점 평면(128)내의 지점(124)에 함께 연결되고 내측의 철심부재(16b)상에서 연결지점(124)로부터 공통의 축(30) 둘레를 따라 반대방향으로 감겨지는 2개의 코일절편(120)을 포함하도록 변형된다. 하나의 코일절편(120)은 철심부재(16b)의 일단부로부터 연장되어 명령신호(Vc)를 수용하도록 접속되는 하나의 도선(132)를 구비하며, 반면에 또다른 도선(134)는 철심부재(16b)의 다른 단부로부터 연장되어 장치의 접지에 접속된다. 또는, 명령신호는 연결지점(124)로 가해지고 코일절편의 단부들은 장치의 접지에 접속될 수 있다. 코일절편(120)은 연결지점(124)로부터 철심부재의 일단부를 향해 뒤쪽으로 축(30) 둘레를 따라 일방향으로 철심부재(16b)상에 감겨지게 되고, 이에따라, 중립의 축방향 위치에서 어느하나의 축방향으로 P/2의 거리(제6도에 도시된대로 자석(44) 세트와 자석(46) 세트의 사이의 축방향 간격의 반임)만큼 변위될 때까지의 모든 조립체(20b)에 대한 철심부재(16b)의 위치에 있어서, 코일 조립체 전체가 자석(44) 세트에 의해 제공되는 자속 경로내에 배치되게 되며, 그이유는 이후에 설명한다. 또다른 코일절편(122)는 연결지점(124)로부터 철심부재의 다른 단부를 향해 뒤쪽으로 축(30) 둘레를 따라 반대방향으로 감겨지고, 이에따라, 중립의 축방향 위치로부터 어느하나의 축방향으로의 모든 조립체(20b)에 대한 철심부재(16b)의 위치에 대하여, 코일 조립체 전체가 자석(46) 세트에 의해 제공되는 자속경로내에 배치되게 된다. 제6도에 도시된 실시예는 브러시가 없는 구성이기 때문에, 각각의 코일절편(120,122)의 두께는 각각의 자기장에 노출되는 회전수를 증가시키도록 다수의 코일 와이어의 층을 포함할 수 있음을 알아야 할 것이다.

제6도에 도시된대로, 제6도의 구성은 중앙의 참조점(126)이 0점 펴면(128)에 위치되도록 철심부재가 정확히 위치될때 최대의 작동력이 제공되는 제한된 행정을 가진다. 따라서, 자석(44,46) 사이의 간격을 P(제5도에 도시된 바와같음)로 정의할때, 작동력(수직축을 따라 표시됨)은 중앙의 참조점(126; 수형축을 따라 표시됨)이 P로 정의된 한계점내에 배치되는한 일정하게 된다. 중앙의 참조점이 P로 설정된 한계를 지나 축방향으로 이동된다면, 작동면은 표시된대로 감소하기 시작한다.

제1도 내지 제6도를 참조하여 설명된 선형 액튜에이터들은 선형의 출력 작동력을 제공하도록 구성됨에도 불구하고, 각각의 액튜에이터는 회전형 액튜에이터와 같이 토크 또는 각 방향의 변위를 제공하도록 구성될 수 있음을 맡아야 할 것이다. 제8도 및 제9도에 도시된대로, 제1도 내지 제6도에 도시된 2개의 구성중 어느하나의 선형 액튜에이터도 선형운동을 회전운동으로 전환할 수 있도록 연동장치에 적절히 연결될 수 있다. 제8도에 있어서, 상기와 같은 연결은 제1 및 제2의 조립체중 하나(도면에는 제1의 조립체(12)로 도시됨)를 선형운동에 대해 고정시키고, 다른 조립체(도면에는 제2의 조립체(20)으로 도시됨)를 핀(130)에 연결시킴으로써 달성된다. 핀은 링크(134)의 반경방향의 슬롯(132)를 통해 연장된다. 링크(134)는 제2의 조립체가 제1의 조립체에 대해 이동됨에 따라, 링크가 선회점(136) 둘레를 선회하고, 핀(130)이 슬롯(132)내로 이동되어 선회운동을 수용하도록 반경방향의 슬롯(132)로부터 이격된 지점(136)에 선회석으로 지지된다.

또는, 제9도에 도시된대로, 제1 및 제2의 조립체는, 상대이동의 축(30) 및 액튜에이터의 모든 부품이 굴곡부(140)의 중심 둘레에서 반경거리(R)로 굴곡되게 구성된다는 점을 제외하고는, 제1도 내지 제6도를 참조하여 설명한 액튜에이터중 어느하나와도 동일하게 형성될 수 있다. 회전형 액튜에이터는, 예컨대 레버아암(142)가 굴곡부(140)의 중심에서 핀 둘레를 선회할 수 있도록 아암을 고정시키고 아암을 선회핀(146)으로 조립체중 하나(제9도에서는 제2의 조립체(20)으로 도시됨)에 부착시킴으로써, 레버아암(142)를 제9도의 평면에 평행한 중심(140)을 통하는 축 둘레로 회전시키는데 손쉽게 사용될 수 있다. 그후, 제2의 조립체는 기저지지부에 고정되며, 이렇게 되면, 상대이동의 축(30)을 따라 제1 및 제2의 조립체의 상대이동량을 제어하기 위해 명령신호를 사용할 수 있게 된다. 회전형 액튜에이터의 변형예에 있어서, 상대적인 각 방향의 변위 또는 각 방향의 행정을 측정하기 위해 측정기(100)을 사용할 수 있다.

본 발명의 전자기 액튜에이터는 제343호 특허에 도시 및 기재된 액튜에이터의 구성에 대한 특정한 개선점을 제공하면서도, 상기 특허에 기재되고 청구된 발명의 이점으로부터의 이익도 그대로 향유한다. 본 발명의 액튜에이터는 매우 단순화되고 평자석을 사용하기에 적합하게 되므로, 매우 저렴하게 제작될 수 있다. 또한, 자석은 그 수명이 향상되도록 방호되어진다. 제4도에 도시되어 있는 부속된 코일구성을 제공함으로써, 엑튜에이터는 장치의 고유한 감쇠를 제공하게 된다. 제6도에 도시된 브러시없는 구성은 액튜에이터의 행정이동이 제한될지라도 보다 향상된 수명을 가지는 액튜에이터를 제공한다. 끝으로, 제1도 내지 제6도에 도시된 액튜에이터의 구성들은 제8도 및 제9도에 도시된 회전형 액튜에이터를 제공할 수 있도록 용이하게 변형될 수 있다.

본원에 포함된 본 발명의 범위를 이탈하지 않은 채, 상기 제품에 대해 특정한 변경이 이루어질 수 있으므로, 상기 설명에 포함되고 첨부도면에 도시되는 모든 내용은 제한되는 의마가 아닌 예시적인 의미로 해석되어야 할 것으로 의도하고자 한다.

Claims (11)

1. (a)제1의 조립체; (b) 명령신호에 반응하여 상대이동의 축을 따라 제1의 조립체에 대해 이동될 수 있고, 상대이동의 축에 대한 하나이상의 방향으로 반경방향을 따라 인도되는 자속을 형성하기 위한 자속 공급원 수단을 구비하는 제2의 조립체; (c) 자속경로에 각각 배치되는 하나 이상의 코일절편을 형성하기 위한 코일 조립체 수단; (d) 제1 및 제2의 조립체 사이에 가해지는 가속/전류 작동력이 상기 상대이동의 축을 따르도록 코일전류편에 신호를 가지기 위한 수단을 포함하는 형태의 전자기 액튜에이터에 있어서, 자속 공급원 수단은 자속의 공급원을 제공하기 위한 반경 방향으로 축둘레를 따라 이격된 다수의 평자석과, 코일부를 통해 거의 반경 방향으로 자속을 정향시키도록 자석에 의해 제공되는 자속을 집중시키기 위한 자속집중수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액튜에이터.
2. 제1항에 있어서, 자속공급원 수단은 자속이 코일에 거의 수직하게 되도록 코일절편을 통해 자속을 집중시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액튜에이터.
3. 제1항에 있어서, 자석을 소정의 위치에서 밀봉하고 환경으로부터 차폐하여 자석을 방호하기 위한 밀봉수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액튜에이터.
4. 제1항에 있어서, 제1 및 제2의 조립체 사이의 상대적 변위를 측정하기 위한 측정수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액튜에이터.
5. 제1항에 있어서, 코일 조립체는 제1 및 제2의 조립체가 서로에 대해 이동됨에 따라 자속공급된 수단이 코일 조립체에 대해 이동되도록 제1의 조립체의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전자기 액튜에이터.
6. 제5항에 있어서, 제2의 조립체는 코일내에 위치되고 자속공급원 수단과 함께 코일 조립체에 대해 이동되기 적합한 자기유도성 재료의 철심부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액튜에이터.
7. 제5항에 있어서, 제1의 조립체는 코일 및 철심부재가 자속공급원 수단에 대해 이동될 수 있도록 코일과 함께 위치되고 코일에 대해 고정되는 철심부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액튜에이터.
8. 제1항에 있어서, 상기 명령신호를 가하기 위한 수단은 상기 제2의 조립체에 의해서 지지되고 상기 코일절편과 전기적으로 접촉되는 브러시를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액튜에이터.
9. 제1항에 있어서, 상기 2개의 코일전류편은 상기 축 둘레를 따라 서로 반대방향으로 감겨지며, 상기 명령신호를 가하는 위한 수단은 상기 액튜에이터가 브러시를 구비하지 않도록 상기 명령신호를 상기 코일절편에 직접적으로 가하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액튜에이터.
10. (a) 제1의 조립체; (b) 명령신호에 반응하여 상대이동의 축을 따라 제1의 조립체에 대해 이동될 수 있고, 상대이동의 축에 대한 내측 및 외측 양방향으로의 반경방향을 향하는 자속을 형성하기 위한 자속 공급원 수단을 구비하는 제2의 조립체; (c) 내측 및 외측 방향으로의 자속경로에 각각 배치되는 2개 이상의 코일절편을 형성하기 위한 코일 조립체 수단; (d) 제1 및 제2의 조립체 사이에 가해지는 자속/전류 작동력이 부가될 수 있도록, 전류를 내측으로 향하는 자속을 통해 축 둘레를 따라 일방향으로 흐르게 하고, 또한 전류를 외측으로 향하는 자속을 통해 축 둘레를 반대방향으로 흐르게 하기 위해 코일절편에 명령신호를 가하기 위한 수단을 포함하는 형태의 전자기 액튜에이터에 있어서, 상기 제1의 조립체는 철심부재를 포함하며, 상기 코일절편은 상기 철심부재상에 감겨지는 것을 특징으로 하는 전자기 액튜에이터.
11. (a) 제1의 조립체; (b) 명령신호에 반응하여 상대이동의 축을 따라 제1의 조립체에 대해 이동될 수 있고, 상대이동의 축에 대한 내측 및 외측 양방향으로의 반경반향을 향하는 자속을 형성하기 위한 자속 공급원 수단을 구비하는 제2의 조립체; (c) 내측 및 외측 방향으로의 자속경로에 각각 배치되는 2개 이상의 코일절편을 형성하기 위한 코일 조립체 수단; (d) 제1 및 제2의 조립체 사이에 가해지는 자속/전류 작동력이 부가될 수 있도록, 전류를 내측으로 향하는 자속을 통해 축 둘레를 따라 일방향으로 흐르게 하고, 또한 전류를 외측으로 향하는 자속을 통해 축 둘레를 따라 반대방향으로 흐르게 하기 위해 코일절편에 명령신호를 가하기 위한 수단을 포함하는 형태의 전자기 액튜에이터에 있어서, 코일 조립체 수단은 축 둘레를 따라 반대 방향으로 감겨지는 2개이상의 코일절편과, 액튜에이터가 브러시를 구비하지 않도록 명령신호를 가하기 위한 상기 코일 조립체에 연결된 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액튜에이터.