KR102670233B1 - 일정한 힘을 전달하는 솔레노이드 액츄에이터 및 다단 솔레노이드 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

일정한 힘을 전달하는 솔레노이드 액츄에이터 및 다단 솔레노이드 액츄에이터가 개시된다. 상기 솔레노이드 액츄에이터는 통(桶)형의 솔레노이드; 상기 솔레노이드에 전류를 인가할 수 있는 파워부; 및 자기장을 제공하는 2개의 자기부재가 각각의 제1 극이 서로 마주보고, 상기 제1 극과 다른 각각의 제2 극이 양말단에 위치하도록 형성되며, 상기 솔레노이드의 통 내부를 통과하는 자기쌍부재;를 포함할 수 있다. 상기 다단 솔레노이드 액츄에이터는 2개 이상의 통형의 솔레노이드가 상기 솔레노이드의 통 내부 공간이 직렬로 배열되도록 배치된 솔레노이드부; 상기 솔레노이드부의 각 솔레노이드에 개별적으로 전류를 인가할 수 있는 파워부; 자기장을 제공하는 2개의 자기부재가 각각의 제1 극이 서로 마주보고, 상기 제1 극과 다른 각각의 제2 극이 양말단에 위치하도록 형성되며, 상기 솔레노이드부의 통 내부를 통과하는, 1개 이상의 자기쌍가동부; 및 상기 자기쌍가동부의 위치에 의존하여 상기 파워부가 전류를 인가하는 솔레노이드를 결정하여 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

Description

일정한 힘을 전달하는 솔레노이드 액츄에이터 및 다단 솔레노이드 액츄에이터{SOLENOID ACTUATOR AND MULTI-SOLENOID ACTUATOR EXERTING CONSTANT FORCE}

본 발명은 일정한 힘을 전달하는 솔레노이드 액츄에이터 및 다단 솔레노이드 액츄에이터에 관한 것이다.

전류가 흐르는 솔레노이드 내부의 자석은 솔레노이드 축방향의 힘을 받음이 알려져 있다. 자석이 솔레노이드에서 받는 힘은 솔레노이드 축상 자석의 위치에 따라 지속적으로 변화한다. 이러한 성질로 인해 솔레노이드와 자석을 이용하여 전기에너지를 기계적인 운동 에너지로 전환할 수 있는 액츄에이터는 자석의 위치에 따라 액츄에이터가 가하는 힘의 크기와 방향이 계속해서 변한다는 문제점이 있다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 같은 극끼리 마주보는 자석쌍을 이용하여 솔레노이드 내부에 자석이 받는 힘이 일정해지는 구간을 만들고, 다단 솔레노이드를 이용하여 이러한 구간을 원하는 만큼 연장하는 기술을 개시한다.

본 발명의 일 목적은, 일정한 힘을 전달하는 구간이 존재하는 솔레노이드 액츄에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 상기 액츄에이터를 이용하여 원하는 길이 만큼 일정한 힘을 전달할 수 있도록 연장된 다단 솔레노이드 액츄에이터를 제공하는 것이다.

일 측면에서 본 발명은, 통(桶)형의 솔레노이드; 상기 솔레노이드에 전류를 인가할 수 있는 파워부; 및 자기장을 제공하는 2개의 자기부재가 각각의 제1 극이 서로 마주보고, 상기 제1 극과 다른 각각의 제2 극이 양말단에 위치하도록 형성되며, 상기 솔레노이드의 통 내부를 통과하는 자기쌍부재;를 포함하고, 상기 2개의 자기부재의 각 제1 극간의 거리 또는 각 제2 극간의 거리 중 하나가 상기 솔레노이드의 통 길이의 0.9 내지 1.1 배가 되도록 형성된, 일정한 힘을 전달하는 솔레노이드 액츄에이터를 제공한다.

상기 솔레노이드 액츄에이터는, 상기 2개의 자기부재의 각 제1 극간이 이격되도록 형성된 경우, 이격을 일정하게 유지할 수 있도록 상기 2개의 자기부재 사이에 배치 및 고정된 이격자를 더 포함할 수 있다.

상기 2개의 자기부재의 각 제1 극간의 거리가 상기 솔레노이드의 통 길이의 약 0.9 내지 1.1 배가 되도록 형성되고, 상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 솔레노이드 통 길이의 약 0.9 내지 3 배일 수 있다.

상기와 같은 수치의 한정을 통해 상기 솔레노이드 내 자기부재가 일정하게 힘을 받는 구간을 구현할 수 있다.

상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 솔레노이드 통 길이의 약 0.9 내지 1.1 배일 수 있다.

상기와 같은 수치의 한정을 통해 액츄에이터의 공간 효율성을 구현할 수 있다.

상기 2개의 자기부재의 각 제2 극간의 거리가 상기 솔레노이드의 통 길이의 약 0.9 내지 1.1 배가 되도록 형성되고, 상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 솔레노이드 통 길이의 약 0.55 배 이하일 수 있다.

상기와 같은 수치의 한정을 통해 상기 솔레노이드 내 자기부재가 일정하게 힘을 받는 구간을 구현할 수 있다.

상기 솔레노이드 및 상기 2개의 자기부재는 모두 원통형이고, 상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 솔레노이드 통 길이의 약 0.55 배보다 상기 자기부재의 원통의 직경의 약 0.09 내지 0.11 배만큼 짧을 수 있다.

상기 솔레노이드의 길이는 상기 자기부재의 원통의 직경의 약 2.3 내지 2.7 배이고, 상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 자기부재의 원통의 직경의 약 1.0 내지 1.2배일 수 있다.

상기와 같은 수치의 한정을 통해 본 발명의 액츄에이터는 일정한 힘을 받는 구간의 길이 및 공간 효율성을 극대화 할 수 있다.

다른 측면에서 본 발명은, 2개 이상의 통형의 솔레노이드가 상기 솔레노이드의 통 내부 공간이 직렬로 배열되도록 일정하게 정렬된 솔레노이드부; 상기 솔레노이드부의 각 솔레노이드에 개별적으로 전류를 인가할 수 있는 파워부; 자기장을 제공하는 2개의 자기부재가 각각의 제1 극이 서로 마주보고, 상기 제1 극과 다른 각각의 제2 극이 양말단에 위치하도록 형성되며, 상기 솔레노이드부의 통 내부를 통과하는, 1개 이상의 자기쌍가동부; 및 상기 자기쌍가동부의 위치에 의존하여 상기 파워부가 전류를 인가하는 솔레노이드를 결정하여 제어하는 제어부;를 포함하는, 일정한 힘을 전달하는 다단 솔레노이드 액츄에이터를 제공한다.

상기와 같은 구성을 통해 본 발명의 일 측면인 다단 솔레노이드 액츄에이터는 본 발명의 다른 측면인 솔레노이드 액츄에이터 내 일정한 힘이 유지되는 구간을 원하는 길이만큼 연장할 수 있다.

상기 2개의 자기부재의 각 제1 극간이 이격되도록 형성된 경우, 상기 자기쌍가동부는 상기 2개의 자기부재가 이격을 일정하게 유지할 수 있도록 상기 2개의 자기부재 사이에 배치 및 고정된 이격자를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 솔레노이드부에 포함된 일련의 솔레노이드 중 최대 x개의 연속되는 솔레노이드에 전류가 인가되도록 상기 파워부를 제어하고, 상기 솔레노이드부에 포함된 각 솔레노이드의 길이는, 상기 자기쌍가동부가 상기 x개의 연속되는 솔레노이드 내부를 통과할 때, 상기 자기쌍가동부의 중심선이 상기 x개의 연속되는 솔레노이드의 축상 중심에 위치할 때 받는 힘의, 사전 결정된 일정 오차 범위 내의 힘을 받는 구간의 길이보다 작으며, 상기 x는 상기 솔레노이드부에 포함된 솔레노이드의 개수보다 작거나 같은 자연수 일 수 있다.

상기와 같은 한정을 통해 상기 다단 솔레노이드 액츄에이터는 각 솔레노이드마다 일정하게 힘을 받는 구간을 구현할 수 있다.

상기 각 솔레노이드의 길이는 상기 x개의 솔레노이드 및 이들 사이의 간격을 포함하는 전체 길이가 상기 자석쌍가동부의 제1 극간의 거리 또는 제2 극간의 거리의 약 90 내지 110%가 되도록 결정 및 배치될 수 있다.

상기와 같은 한정을 통해 전류가 인가되는 솔레노이드의 말단면은 상기 자기쌍가동부의 각 제1 극 또는 각 제2 극에 최대한 근접할 수 있다.

상기 제어부는 상기 자석쌍가동부의 중심선으로부터 좌우 대칭으로 총 x개의 솔레노이드에 전류가 인가되도록 파워부를 제어할 수 있다.

상기와 같은 제어를 통해 상기 솔레노이드부에서 전류가 인가되는 솔레노이드가 상기 자기쌍가동부의 위치를 따라가는 제어를 구현할 수 있다.

상기 제어부는, 자기장을 신호로 변환 및 출력할 수 있는 1개 이상의 자기감지부를 포함하고, 상기 각 자기감지부는, 상기 자기쌍가동부의 중심선의 위치에 따른 상기 파워부의 제어가, 상기 자기감지부가 출력하는 신호에 의존하여 구현되도록 배치 및 조정될 수 있다.

상기 자기감지부는 상기 솔레노이드부에 포함된 각 솔레노이드마다 동등한 위치에 대응하여 각각 배치되고, 상기 각 자기감지부가 출력하는 신호로부터 인식되는 자기장의 세기가 사전 결정된 값 이상일 때 대응하는 솔레노이드에 전류를 인가하도록 제어하고, 상기 각 자기감지부가 출력하는 신호로부터 인식되는 자기장의 세기가 사전 결정된 값 미만일 때 대응하는 솔레노이드에 전류를 인가하지 않도록 제어할 수 있다.

상기와 같은 제어 방식을 통해 각 솔레노이드 및 자기감지부는 하나의 셀(cell)로 구성되어 지속적인 연장을 통해 원하는 길이 만큼 자기쌍가동부에 힘을 일정하게 가할 수 있는 액츄에이터를 구현할 수 있다.

상기 자기감지부는 홀 센서(Hall sensor)일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 솔레노이드 액츄에이터를 통해 솔레노이드 내 자석쌍이 일정한 힘을 받는 구간을 구현할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 다단 솔레노이드 액츄에이터를 통해 상기 일정한 힘을 받는 구간을 원하는 만큼 연장할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 솔레노이드 액츄에이터의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 솔레노이드 액츄에이터를 솔레노이드 통의 축(Z)과 수직인 방향에서 바라본 정면도이다.
도 3은 2개의 자기부재를 이용한 액츄에이터가 일정한 힘을 가하는 원리를 나타내는 도면 및 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다단 솔레노이드 액츄에이터의 일례를 도시한 도면이다.
도 5는 상기 제어부가 상기 파워부를 제어하는 방법의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 제어부의 제어에 따라, 각 솔레노이드의 길이를 결정하는 방법을 도시한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 실시예에 따른 다단 솔레노이드 액츄에이터의 다른 예시를 도시한 도면이다.
도 8는 2개의 자기쌍구동부를 가진 다단 솔레노이드 액츄에이터를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실험예에 따른 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 솔레노이드 액츄에이터의 일례를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 솔레노이드 액츄에이터는 통(桶)형의 솔레노이드(10); 상기 솔레노이드(10)에 전류를 인가할 수 있는 파워부(20); 및 자기장을 제공하는 2개의 자기부재(31, 32)가 각각의 제1 극이 서로 마주보고, 상기 제1 극과 다른 각각의 제2 극이 양말단에 위치하도록 형성되며, 상기 솔레노이드의 통 내부를 통과하는 자기쌍부재(30);를 포함할 수 있다.

본 명세서의 문맥에서, "솔레노이드"는 전기가 통할 수 있는 도선은 통형으로 수회 말아만든 기구를 의미한다. 도 1의 솔레노이드(10)는 원통형으로 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이고 솔레노이드 통의 단면은 원에 제한되지 않으며, 모든 형태의 도형이 가능하다.

본 명세서의 문맥에서, "자기부재"는 자기장을 제공할 수 있는 물체로, 비제한적인 예시는 영구자석 또는 전자석을 포함한다. 도 1의 자기부재(31, 32)는 당업자가 영구자석으로 인식할 수 있는 형태로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이고 이에 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 상기 자기부재는 영구자석일 수 있다.

상기 솔레노이드(10)에 전류가 인가되는 경우, 솔레노이드 통 내부에 자기장이 형성된다. 자기장이 형성된 솔레노이드 통 내부의 축(Z)을 따라 다른 자기장을 제공할 수 있는 자기부재가 위치하는 경우, 상기 솔레노이드는 상기 자기부재에, 상기 솔레노이드 통의 축(Z) 방향으로 힘을 가할 수 있다. 이를 통해 일방향 또는 양방향으로 힘을 가할 수 있는 액츄에이터를 구현할 수 있다.

상기 자기부재(31, 32)는 2개가 구비되어 서로 같은 극이 마주보도록 형성될 수 있다. 도 1에서 자기부재(31, 32)의 적색 구역과 청색 구역은 각각 같은 극을 도시한다. 도 1은 적색 구역이 서로 마주보고, 청색 구역이 양말단에 위치하는 것으로 도시되었고, 당업자의 입장에서 적색 구역이 N극, 청색 구역이 S극으로 인식될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 본 발명의 자기쌍부재(30)는 각 자기부재(31, 32)가 서로 S극이 마주보고, N극이 양말단에 위치하도록 배치될 수도 있다.

도 2는 본 발명의 솔레노이드 액츄에이터를 솔레노이드 통의 축(Z)과 수직인 방향에서 바라본 정면도이다.

도 2를 참조하면, 상기 2개의 자기부재(31, 32)의 각 제1 극간의 거리(d1) 또는 각 제2 극간의 거리(d2) 중 하나가 상기 솔레노이드(10)의 통 길이의 약 0.9 내지 1.1 배, 예를 들어 약 0.95 내지 1.05 배가 되도록 형성될 수 있다. 일례로, 상기 2개의 자기부재(31, 32)의 각 제1 극간의 거리(d1) 또는 각 제2 극간의 거리(d2) 중 하나는 상기 솔레노이드(10)의 통 길이와 실질적으로 동일할 수 있으며, 도 2는 이 경우를 도시한 것이나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 도 2에서 파워부는 생략되었다.

한편, 도 1을 계속해서 참조하면, 상기 솔레노이드 액츄에이터는, 상기 2개의 자기부재(31, 32)의 각 제1 극간이 이격되도록 형성된 경우, 이격을 일정하게 유지할 수 있도록 상기 2개의 자기부재 사이에 배치 및 고정된 이격자(33)를 더 포함할 수 있다.

도 3은 상기와 같이 2개의 자기부재를 이용한 액츄에이터가 일정한 힘을 가하는 원리를 나타내는 도면 및 그래프이다. 도 3의 좌측은 단일 자석과 자석쌍을 포함하는 자기부재가 솔레노이드 내에서 받는 힘의 크기를 나타낸 그래프이고, 도 3의 우측 상단은 솔레노이드 및 자기부재의 상대적인 위치를 나타낸 도면이며, 그 하단의 그래프는 각 경우 자기부재가 받는 힘을 나타낸 그래프이다. 각 그래프에서 녹색 및 황색선은 2개의 자기부재가 각각 받는 힘, 흑색선은 2개의 자기부재가 받는 힘의 합을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 2개의 자기부재의 제1 극간의 거리가 솔레노이드 길이와 같거나, 2개의 자기부재의 제2 극간의 거리가 솔레노이드와 같은 경우에, 솔레노이드 통의 중심부에서 자기쌍부재가 힘을 일정하게 받는 구간이 나타나게 된다. 즉, 2개의 자기부재의 각 제1 극간의 거리 또는 각 제2 극간의 거리 중 하나가 상기 솔레노이드의 통 길이의 약 0.9 내지 1.1 배가 되도록하는 경우, 실질적으로 상기 솔레노이드 중심부에서 자기쌍부재가 힘을 일정 수준 일정하게 받는 구간을 구현할 수 있다.

상기와 같은 조건이 충족된 상태에서, 액츄에이터의 용도 등에 따라 자석과 솔레노이드의 다른 기하학적 파라미터는 선택될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 2개의 자기부재의 각 제1 극간의 거리가 상기 솔레노이드의 통 길이의 약 0.9 내지 1.1 배가 되도록 형성되고, 상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 솔레노이드 통 길이의 약 0.9 내지 3 배일 수 있다. 예를 들어, 상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 솔레노이드 통 길이의 약 0.9 내지 1.1 배일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 2개의 자기부재의 각 제2 극간의 거리가 상기 솔레노이드의 통 길이의 약 0.9 내지 1.1 배가 되도록 형성되고, 상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 솔레노이드 통 길이의 약 0.55 배 이하일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 솔레노이드 및 상기 2개의 자기부재는 모두 원통형이고, 상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 솔레노이드 통 길이의 약 0.55 배보다 상기 자기부재의 원통의 직경의 약 0.09 내지 0.11 배만큼 짧을 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 솔레노이드의 길이는 상기 자기부재의 원통의 직경의 약 2.3 내지 2.7 배이고, 상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 자기부재의 원통의 직경의 약 1.0 내지 1.2배일 수 있다.

상기와 같은 수치의 한정은 일정하게 힘을 받는 구간의 길이 및 공간 효율성을 극대화하기 위한 수치의 한정으로서, 그 한정의 근거는 하기 실험예 등에서 당업자에게 이해될 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 솔레노이드 액츄에이터를 통해 솔레노이드 내 자석쌍이 일정한 힘을 받는 구간을 구현할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다단 솔레노이드 액츄에이터의 일례를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다단 솔레노이드 액츄에이터는 2개 이상의 통형의 솔레노이드(10')가 상기 솔레노이드(10')의 통 내부 공간이 직렬로 배열되도록 일정하게 정렬된 솔레노이드부(100); 상기 솔레노이드부(100)의 각 솔레노이드(10')에 개별적으로 전류를 인가할 수 있는 파워부(20'); 자기장을 제공하는 2개의 자기부재(31', 32')가 각각의 제1 극이 서로 마주보고, 상기 제1 극과 다른 각각의 제2 극이 양말단에 위치하도록 형성되며, 상기 솔레노이드부(100)의 통 내부를 통과하는, 1개 이상의 자기쌍가동부(30'); 및 상기 자기쌍가동부(30')의 위치에 의존하여 상기 파워부가 전류를 인가하는 솔레노이드를 결정하여 제어하는 제어부(40');를 포함할 수 있다.

상기와 같은 구성을 통해 본 발명의 일 측면인 다단 솔레노이드 액츄에이터는 본 발명의 다른 측면인 솔레노이드 액츄에이터 내 일정한 힘이 유지되는 구간을 원하는 길이만큼 연장할 수 있다.

상기 2개의 자기부재(31', 32')의 각 제1 극간이 이격되도록 형성된 경우, 상기 자기쌍가동부는 상기 2개의 자기부재(31', 32')가 이격을 일정하게 유지할 수 있도록 상기 2개의 자기부재(31', 32') 사이에 배치 및 고정된 이격자(33')를 더 포함할 수 있다.

도 5는 상기 제어부가 상기 파워부를 제어하는 방법의 일 실시예를 나타낸 도면이다.

도 4와 도 5를 함께 참조하면, 상기 제어부(40')는 상기 솔레노이드부(100)에 포함된 일련의 솔레노이드 중 최대 x개의 연속되는 솔레노이드에 전류가 인가되도록 상기 파워부(20')를 제어할 수 있다.

도 6은 제어부가 상기와 같은 제어를 제공하는 경우, 각 솔레노이드의 길이를 결정하는 방법을 도시한 도면이다.

도 4 및 도 5와 도 6을 함께 참조하면, 상기 솔레노이드부에 포함된 각 솔레노이드의 길이는, 상기 자기쌍가동부(30')가 상기 x개의 연속되는 솔레노이드 내부를 통과할 때, 상기 자기쌍가동부(30')의 중심선(C)이 상기 x개의 연속되는 솔레노이드의 축상 중심에 위치할 때 받는 힘의, 사전 결정된 일정 오차 범위 내의 힘을 받는 구간의 길이(L)보다 작으며, 상기 x는 상기 솔레노이드부에 포함된 솔레노이드의 개수보다 작거나 같은 자연수 일 수 있다.

상기와 같은 한정을 통해 상기 다단 솔레노이드 액츄에이터는 각 솔레노이드마다 일정하게 힘을 받는 구간을 구현할 수 있고, 이를 연장할 수 있다.

도 3에서 살펴본 바와 같이, 전류가 인가되는 솔레노이드의 총 길이는, 상기 자기쌍가동부의 제1 극간의 거리 또는 제2 극간의 거리와 가까울수록, 상기 일정하게 힘을 받는 구간이 길어진다. 이를 통해, 상기 자기쌍가동부가 일정하게 힘을 받는 구간 내에서, 받는 힘의 변화를 최소한이 되도록하는 솔레노이드 길이가 도출될 수 있다.

도 3과 함께 도 6을 계속해서 참조하면, 상기 각 솔레노이드(10')의 길이는 상기 x개의 솔레노이드 및 이들 사이의 간격을 포함하는 전체 길이가 상기 자석쌍가동부(30')의 제1 극간의 거리 또는 제2 극간의 거리(도 6의 경우, 제2 극간의 거리; d2)의 약 90 내지 110%가 되도록 결정 및 배치될 수 있다. 도 6을 참조하면, x개의 솔레노이드로 표시된 부분의 말단은 상기 자석쌍가동부(30')의 제2 극에 각각 실질적으로 일치함을 확인할 수 있다. 상기와 같은 한정을 통해 전류가 인가되는 솔레노이드의 말단면은 상기 자기쌍가동부의 각 제1 극 또는 각 제2 극에 최대한 근접할 수 있다.

상기 제어부는 상기 자석쌍가동부의 중심선으로부터 좌우 대칭으로 총 x개의 솔레노이드에 전류가 인가되도록 파워부를 제어할 수 있다. 자석쌍가동부가 전류가 인가되는 솔레노이드의 중심부에 있을 때, 힘을 일정하게 받는 구간에 포함되므로, 자석쌍가동부가 이동함에 따라 전류가 인가되는 솔레노이드의 구간이 상기 자석쌍가동부의 이동을 따라가도록 구현하면, 힘을 일정하게 받는 구간을 계속해서 연장할 수 있다. 상기와 같은 제어를 통해 상기 솔레노이드부에서 전류가 인가되는 솔레노이드가 상기 자기쌍가동부의 위치를 따라가는 제어를 구현할 수 있다. 상기와 같은 원리의 구현은 하기 실험예에서 더욱 자명해질 것이다.

도 7은, 본 발명의 실시예에 따른 다단 솔레노이드 액츄에이터의 다른 예시를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 상기 제어부(40')는, 자기장을 신호로 변환 및 출력할 수 있는 1개 이상의 자기감지(50')부를 포함하고, 상기 각 자기감지부(50')는, 상기 자기쌍가동부(30')의 중심선(C)의 위치에 따른 상기 파워부(20')의 제어가, 상기 자기감지부(50')가 출력하는 신호에 의존하여 구현되도록 배치 및 조정될 수 있다.

본 명세서의 문맥에서, "자기감지" 또는 "자기감지부"는 자기장을 감지하여 제어부가 인식할 수 있는 신호로 송출 및/또는 변환하는 장치 또는 그러한 과정을 의미한다. 상기 자기감지부(50')는 자기쌍가동부(30')가 접근하거나 멀어질 때, 이에 의해 야기되는 자기장의 변화를 감지하여 제어부(40')에 전달하고, 제어부는 전달받은 신호에 따라 솔레노이드(10') 중 어느 솔레노이드에 전류를 인가할지 결정할 수 있다.

상기 자기감지부(50')는 1개 이상일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 자기감지부(50')는 상기 솔레노이드부(100)에 포함된 각 솔레노이드(10')마다 동등한 위치에 대응하여 각각 배치되고, 상기 각 자기감지부(50')가 출력하는 신호로부터 인식되는 자기장의 세기가 사전 결정된 값 이상일 때 대응하는 솔레노이드에 전류를 인가하도록 제어하고, 상기 각 자기감지부(50')가 출력하는 신호로부터 인식되는 자기장의 세기가 사전 결정된 값 미만일 때 대응하는 솔레노이드에 전류를 인가하지 않도록 제어할 수 있다. 도 7은 상기 자기감지부(50')가 각 솔레노이드(10')마다 동등한 위치에 대응하여 각각 배치된 상태의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 이 경우, 상기 각 자기감지부가 출력하는 신호로부터 인식되는 자기장의 세기가 사전 결정된 값 미만일 때 대응하는 솔레노이드에 전류를 인가하지 않도록 제어할 수 있다. 이를 통해 상기 자기쌍가동부(30')가 접근하면 솔레노이드에 전류가 인가되고, 멀어지면 솔레노이드에 전류가 인가되지 않는 다단 솔레노이드 액츄에이터를 구현할 수 있다. 상기 사전 결정된 값을 조정함으로써 도 6을 통해 도시되고, 상술된 제어를 구현할 수도 있다. 이와 같이, 상기와 같은 제어 방식을 통해 각 솔레노이드 및 자기감지부는 하나의 셀(cell)로 구성되어 지속적인 연장을 통해 원하는 길이 만큼 자기쌍가동부에 힘을 일정하게 가할 수 있는 액츄에이터를 구현할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 자기감지부는 홀 현상을 이용하여 자기장의 변화를 감지하는 홀 센서(Hall sensor)일 수 있으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.

한편, 상기 자기쌍구동부는, 상술한 바와 같이 1개 이상일 수 있다. 예를 들어 2개 이상일 수 있다. 도 8는 2개의 자기쌍구동부를 가진 다단 솔레노이드 액츄에이터를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 8를 참조하면, 2개 이상의 자기쌍구동부를 가지는 경우, 각 자기쌍구동부의 중심선에 맞추어 솔레노이드에 전류가 인가되도록 제어부는 파워부를 제어할 수 있다. 2개 이상의 자기쌍구동부를 가지는 경우, 각 자기부재의 제1 극간 뿐만 아니라 제2 극간 사이에도 이격을 유지하는 이격자를 선택적으로 포함할 수 있다. 상기와 같이 2개 이상의 자기쌍구동부를 사용함으로써 다단 솔레노이드 액츄에이터가 인가하는 힘의 크기를 증가할 수도 있다.

이하 본 발명의 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기에 기재된 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

솔레노이드 액츄에이터의 기하학적 파라미터 결정

컴퓨터 시뮬레이션을 통해 솔레노이드 액츄에이터의 기하학적 파라미터가 상기 솔레노이드 액츄에이터의 기계적 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 솔레노이드 액츄에이터의 기하학적 파라미터에 따른 자기장은 하기와 같이 표현할 수 있다.

여기서, D는 솔레노이드 외경, d는 솔레노이드 내경, Lc는 솔레노이드 길이, N은 솔레노이드의 감긴 횟수, I는 솔레노이드에 인가되는 전류의 크기, μ0는 진공의 투자율(Vacuum permeability), z는 솔레노이드 축상 위치 좌표이다.

상기와 같은 자기장 내에서 자석이 받은 힘은 비오-사바르 법칙을 이용하여 하기와 같이 표현할 수 있다.

상기 적분식을 통해 솔레노이드 액츄에이터의 기하학적 파라미터를 사용하여 힘의 함수를 하기와 같이 표현할 수 있다.

여기서, M은 자석의 자화도(magnetization; A/m), Dp는 자석의 직경이며,

Lc를 솔레노이드의 길이, Lp를 자기부재 하나의 길이, X를 2개의 자기부재 중심선 사이의 거리로 정의할 때,

α=Lc+Lp+X

β=Lc-Lp-X

γ=Lc-Lp+X

δ=Lc+Lp-x

이다.

상기 식의 길이에 관한 변수를 Dp로, 전류에 관한 변수를 Ic로, 횟수에 관한 변수를 Nc로, 힘에 관한 변수를 Fc로 나누어 무차원의 식을 유도할 수 있다.

도 9는 상기와 같은 방법으로 유도된 식을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 도시한 칸토어(contour)다.

도 9의 좌측은 코일 길이와 자석 길이에 따른 일정한 힘을 받는 구간의 길이를 도시한 칸토어이고, 우측은 자기부재의 길이 당 최대 힘을 수득할 수 있는 경우의 코일 길이와 자석 길이 및 일정한 힘을 받는 구간의 길이의 관계를 도시한 칸토어이다.

도 9의 좌측을 참조하면, 자기부재가 솔레노이드 내부에 위치하는 경우에는 자기부재의 길이가 솔레노이드 통 길이의 약 절반 이하이어야 하며, 특히 솔레노이드 통 길이의 약 절반보다, 자기부재 원통 직경의 약 0.1배 만큼 짧을 때 가장 높은 공간효율성을 가짐을 확인할 수 있고, 자기부재가 솔레노이드 외부에 위치하는 경우에는 자기부재의 길이가 솔레노이트 통 길이와 실질적으로 같을 때 가장 높은 공간효율성을 가짐을 확인할 수 있다. 도 9의 우측을 참조하면, 솔레노이드 길이가 자석 직경의 약 2.5배, 자기부재의 길이가 자석 직경의 약 1.1배일 때 상기 수치가 최대값을 가짐을 확인할 수 있다.

다단 솔레노이드 액츄에이터의 구성

본 발명의 다단 솔레노이드 액츄에이터를 구성하여 자기쌍가동부가 받는 힘의 크기를 분석하였다. 자기감지부로 홀 센서를 사용하였다. 도 10은 그 결과를 나타낸 그래프이다. 도 10의 적색, 청색, 녹색 선은 각 솔레노이드(또는 솔레노이드의 구간)를 통과할 때 자기쌍구동부의 축상 위치에 따른 받는 힘의 함수를 나타낸 선이다. 자기쌍구동부가 축을 따라 이동할 때, 전류가 인가되는 솔레노이드를 계속해서 변경함으로써, 적, 청, 녹색 또는 녹, 청, 적색 순으로 해당하는 그래프가 변경될 수 있다. 결과적으로 각 적, 청, 녹색 그래프의 중심선 근처에서 나타나는 일정하게 힘을 받는 구간이 지속적으로 연장되어, 도 10의 흑색선과 같이 일정하게 힘을 받는 구간을 연장할 수 있다. 도 10에는 3번의 분절된(discrete) 제어만을 도시하였으나, 같은 원리로 반복하여 일정한 힘을 받는 구간을 원하는 길이만큼 얼마든지 연장할 수 있음은 이론적으로 자명하다.

도 10을 계속해서 참고하면, 적색 점선과 청색 점선은 각 홀 센서에 감지한 자기장의 크기를 나타낸 선이다. 자기부재가 접근하고 멀어짐에 따라 자기장의 세기가 증가하였다가 감소하는 추세가 일정하게 나타나며, 따라서, 자기장의 세기가 사전 결정된 값을 초과하는 경우 솔레노이드에 전류가 인가되고, 사전 결정된 값 이하로 하락하는 경우 솔레노이드에 인가된 전류를 차단하는 제어가 가능함을 확인할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 솔레노이드
20: 파워부
30: 자기쌍부재
31, 32: 자기부재
33: 이격자
Z: 솔레노이드 축
d1: 제1 극간 사이의 거리
d2: 제2 극간 사이의 거리
10': 솔레노이드
100: (다단) 솔레노이드부
20': 파워부
30': 자기쌍가동부
C: 자기쌍가동부의 중심선
31', 32': 자기부재
33': 이격자
40': 제어부
50': 자기감지부
Z': 솔레노이드부 축
L: 힘을 일정하게 받는 구간

Claims (10)

1. 통(桶)형의 솔레노이드;
   상기 솔레노이드에 전류를 인가할 수 있는 파워부; 및
   자기장을 제공하는 2개의 자기부재가 각각의 제1 극이 서로 마주보고, 상기 제1 극과 다른 각각의 제2 극이 양말단에 위치하도록 형성되며, 상기 솔레노이드의 통 내부를 통과하는 자기쌍부재;를 포함하고,
   상기 2개의 자기부재의 각 제1 극간의 거리 또는 각 제2 극간의 거리 중 하나가 상기 솔레노이드의 통 길이의 0.9 내지 1.1 배가 되도록 형성되고,
   상기 2개의 자기부재의 각 제1 극간이 이격되도록 형성된 경우, 이격을 일정하게 유지할 수 있도록 상기 2개의 자기부재 사이에 배치 및 고정된 이격자를 더 포함하는,
   일정한 힘을 전달하는 솔레노이드 액츄에이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 2개의 자기부재의 각 제1 극간의 거리가 상기 솔레노이드의 통 길이의 0.9 내지 1.1 배가 되도록 형성되고,
   상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 솔레노이드의 통 길이의 0.9 내지 1.1 배인 것을 특징으로 하는,
   일정한 힘을 전달하는 솔레노이드 액츄에이터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 2개의 자기부재의 각 제2 극간의 거리가 상기 솔레노이드의 통 길이의 0.9 내지 1.1 배가 되도록 형성되고,
   상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 솔레노이드의 통 길이의 0.55 배 이하인 것을 특징으로 하는,
   일정한 힘을 전달하는 솔레노이드 액츄에이터.
4. 제3항에 있어서,
   상기 솔레노이드 및 상기 2개의 자기부재는 모두 원통형이고,
   상기 2개의 자기부재 각각의 길이는, 상기 솔레노이드의 통 길이의 0.55 배보다, 상기 자기부재의 원통의 직경의 0.09 내지 0.11 배만큼 짧은 것을 특징으로 하는,
   일정한 힘을 전달하는 솔레노이드 액츄에이터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 솔레노이드의 길이는 상기 자기부재의 원통의 직경의 2.3 내지 2.7 배이고, 상기 2개의 자기부재 각각의 길이는 상기 자기부재의 원통의 직경의 1.0 내지 1.2배인 것을 특징으로 하는,
   일정한 힘을 전달하는 솔레노이드 액츄에이터.
6. 2개 이상의 통형의 솔레노이드가 상기 솔레노이드의 통 내부 공간이 직렬로 배열되도록 일정하게 정렬된 솔레노이드부;
   상기 솔레노이드부의 각 솔레노이드에 개별적으로 전류를 인가할 수 있는 파워부;
   자기장을 제공하는 2개의 자기부재가 각각의 제1 극이 서로 마주보고, 상기 제1 극과 다른 각각의 제2 극이 양말단에 위치하도록 형성되며, 상기 솔레노이드부의 통 내부를 통과하는, 1개 이상의 자기쌍가동부; 및
   상기 자기쌍가동부의 위치에 의존하여 상기 파워부가 전류를 인가하는 솔레노이드를 결정하여 제어하는 제어부;를 포함하고,
   상기 2개의 자기부재의 각 제1 극간이 이격되도록 형성된 경우, 상기 자기쌍가동부는 상기 2개의 자기부재가 이격을 일정하게 유지할 수 있도록 상기 2개의 자기부재 사이에 배치 및 고정된 이격자를 더 포함하고,
   상기 제어부는 상기 솔레노이드부에 포함된 일련의 솔레노이드 중 최대 x개의 연속되는 솔레노이드에 전류가 인가되도록 상기 파워부를 제어하고,
   상기 솔레노이드부에 포함된 각 솔레노이드의 길이는, 상기 자기쌍가동부가 상기 x개의 연속되는 솔레노이드 내부를 통과할 때, 상기 자기쌍가동부의 중심선이 상기 x개의 연속되는 솔레노이드의 축상 중심에 위치할 때 받는 힘의, 사전 결정된 일정 오차 범위 내의 힘을 받는 구간의 길이보다 작으며,
   상기 x개는 상기 솔레노이드부에 포함된 솔레노이드의 개수보다 작거나 같은 자연수이고,
   상기 각 솔레노이드의 길이는 상기 x개의 솔레노이드 및 이들 사이의 간격을 포함하는 전체 길이가 상기 자기쌍가동부의 제1 극간의 거리 또는 제2 극간의 거리의 90 내지 110%가 되도록 결정 및 배치되고,
   상기 제어부는 상기 자기쌍가동부의 중심선으로부터 좌우 대칭으로 총 x개의 솔레노이드에 전류가 인가되도록 파워부를 제어하는,
   일정한 힘을 전달하는 다단 솔레노이드 액츄에이터.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제6항에 있어서,
   상기 제어부는, 자기장을 신호로 변환 및 출력할 수 있는 1개 이상의 홀 센서를 포함하고,
   상기 각 홀 센서는, 상기 자기쌍가동부의 중심선의 위치에 따른 상기 파워부의 제어가, 상기 홀 센서가 출력하는 신호에 의존하여 구현되도록 배치 및 조정되는,
   일정한 힘을 전달하는 다단 솔레노이드 액츄에이터.
10. 제9항에 있어서,
    상기 홀 센서는 상기 솔레노이드부에 포함된 각 솔레노이드마다 동등한 위치에 대응하여 각각 배치되고,
    상기 각 홀 센서가 출력하는 신호로부터 인식되는 자기장의 세기가 사전 결정된 값 이상일 때 대응하는 솔레노이드에 전류를 인가하도록 제어하고,
    상기 각 홀 센서가 출력하는 신호로부터 인식되는 자기장의 세기가 사전 결정된 값 미만일 때 대응하는 솔레노이드에 전류를 인가하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는,
    일정한 힘을 전달하는 다단 솔레노이드 액츄에이터.