KR100426072B1 - 백 래쉬가 없는 랙/피너언기어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전운동을 선형운동으로 바꾸기 위한 기계 부품에 적용되는 백래쉬가 없는 랙/피니언 기어에 관한 것이다.

본 발명에 따른 백 래쉬가 없는 랙/피너언기어는 모터에 의하여 회전운동하는 피니언기어의 회전운동이 피니언기어에 치합조립된 랙기어에서 선형운동으로 변환되도록 하는 장치로서 선형 랙/피니언기어(linear rack/pinion gear)의 정밀한 운동을 위해 백 래쉬를 완전히 없애도록 하기 위하여 피니언기어에 조립된 랙기어를 2개 이상 사용하고, 두 랙기어를 스프링으로 연결함에 그 특징이 있다.

Description

백 래쉬가 없는 랙/피너언기어{Backlash-less rack/pinion gear}

본 발명은 회전운동을 선형운동으로 바꾸기 위한 기계 부품에 관한 것으로 백래쉬가 없는 랙/피니언 기어에 관한 것이다.

회전운동을 선형운동으로 바꾸기 위해 사용하는 기계 부품으로는 스크류/너트(screw/nut), 랙/피니언(rack/pinion)이 대표적으로 많이 사용되고 있다.

정밀 제어 시스템을 구성하기 위해 많은 기계적 부품들을 사용하고 있으나 끝단에서의 백 래쉬(backlash)로 인해 정밀 제어 시스템의 운동정밀성이 크게 저하되고 있다. 백 래쉬는 기계적인 부품들간의 결합이 완전하지 않아 상대적인 운동이 유발되는 것이다. 백 래쉬가 있는 시스템은 정밀제어를 수행한다 하여도 사역(dead zone)이 생겨 정밀도에 한계를 주고 잘 결합되지 않은 부품들간의 운동 소음 또한 큰 문제가 된다.

구동원의 동력이 회전운동일 경우 이 회전운동을 선형운동으로 변환하는 방식에서 기계적 마찰력에 인한 운동정밀도보다 백 래쉬에 위한 운동정밀도가 더 큰 영향을 받고 있어 단순한 랙기어와 피니언기어의 사용으로는 정밀한 운동 정밀도를 얻어내는 것은 불가능하였다. 즉 전기모터(M)에 전압이 가해지면 피니언기어는 회전하고, 움직이고자 하는 물체가 랙기어위에 있는 플랜지에 장착되어 선형적으로 운동하는 경우 랙기어와 피니언기어 사이가 기계적으로 완전히 결합되지 않아 백 래쉬가 발생하게 된다. 비선형 제어를 통한 방법도 제안되고 있지만 한계가 있고 기계적으로 백 래쉬를 없애는 방법보다는 성능이 떨어질 수 밖에 없다.

본 발명은 모터에 의하여 회전운동하는 피니언기어의 회전운동이 피니언기어에 치합조립된 랙기어에서 선형운동으로 변환되도록 하는 장치인 선형 랙/피니언기어(linear rack/pinion gear)의 정밀한 운동을 위해 백 래쉬를 완전히 없애도록 하기 위하여 피니언기어에 조립된 랙기어를 2개 이상 사용하고, 두 랙기어를 스프링으로 연결함에 그 특징이 있다.

도 1 는 본 발명에 따른 기어의 사시도

도 2 은 본 발명에 따른 기어의 평면도

도 3 는 본 발명에 따른 장치의 정면도

도 4 는 본 발명에 따른 기어의 측면도

도 5 는 본 발명에 따른 기어에 있어서 랙기어와 피니언기어의 결합상태설 명하기 위한 정단면도이다.

***도면의 주요부호에 대한 간단한 설명***

1 : 피니언기어 2 : 선형이동체

21 : 제1랙기어 22 : 제2랙기어

23 : 풀렌지 224 : 키

24, 24' : 스프링 223 : 그루브

212, 222 : 스프링연결고리

상기의 발명 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 랙/피니언 기어는 도 1에 도시된 바와 같이 구동모터(M)에 의하여 회전되는 외주면에 나사산이 가공된 피니언기어(1)와 피니언기어 의하여 선형적으로 이동하는 선형이동체(2)로 구성되는데, 상기 선형이동체(2)는 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 저면에 요홈상으로 기어가 가공된 두 개의 제1, 제2 랙기어(21, 22)와 두 랙기어(21, 22)의 상부면에 얹혀져 형성되는 판상체로 된 플렌지(23)와 한 벌로 두 랙기어를 연결하며 형성되는 두 개의 스프링(24, 24')로 구성된다.

상기 플렌지(23)에는 두 개의 고정볼트삽입구(231, 231')과 장공의 그루브 (232, Groove)가 형성된다.

그리고 제1랙기어(21)과 제2랙기어(22)는 양측측면에는 스프링이 걸려지는 스프링연결고리(212, 222)가 형성된다.

상기 두 개의 너트블럭 중 제1랙기어(21)은 플렌지(23)와 고정볼트로 결합되고, 제2랙기어(22)은 상부면에 수직으로 돌출되어 키(224)가 형성된다.

이같은 구성으로 이루어진 선형이동체(2)는 피니언기어(1)와 조립함에 있어서, 피니언기어(1)가 제1랙기어(21)와 제2랙기어(22)의 저면에 형성된 요홈상으로 가공된 기어부(211, 221)와 치합하고, 제1랙기어(21)는 플렌지(23)와 고정볼트(b)로 상호조립고정되고, 제2랙기어(22)는 키(224)가 플렌지(23)에 형성된 그루브 (232)에 삽입되어 그 회전방향의 움직임이 구속되게한다.

그리고 제1랙기어(21)과 제2랙기어(22)는 그 양 측면에서 스프링 연결고리(212, 222)에 각각 스프링(24, 24')을 걸어 연결한다.

상기 선형 피니언기어(1)는 봉상체로 외주면에 나사산이 가공되어 있으며 그 일측단에 구동모터(M)가 조립되어 구동축인 선형 피니언기어(1)를 회전시킨다.

그리고 상기 피니언기어(1)의 회전으로 선형이동체(2)가 피너언기어(1)의 상부로 얹혀 제1랙기어(21)와 제2랙기어(22)로 치합조립되어 피니언의 길이를 따라선형적으로 이동하게된다.

본 발명에서는 2개의 랙기어(21, 22)를 사용하여 제1랙기어(21)과 제2랙기어 (22) 사이를 인장스프링(24, 24')으로 연결하여 압축력을 받게 하면 도 5 에 도시된 바와 같이 적어도 피니언기어(1)에 있는 한 개의 산과 골이 이루는 경사면(11)이 제1랙기어(21)와 제2랙기어(22)에 있는 한 개의 골과 산으로 이루는 경사면(211, 221)과 접촉한다. 스크류의 경사면(11)과 두 랙기어(21, 22)의 경사면(211, 221)이 접촉하는 부분은 스프링(24. 24')의 장력에 의하여 빈틈이 없이 접촉되어 있으므로 움직일 때 백 래쉬가 발생하지 않게 된다.

피니언기어(1)의 운동방향이 바뀌어도 접촉부분은 그대로 유지된다. 이 때 구동 모터(M)가 회전할 때 제2랙기어(22)가 따라서 회전할 수 있으므로 플랜지(23)의 끝단에 키이(key) 그루브(groove)(232)를 형성하여 제2랙기어(22)가 선형적으로만 움직이고 회전하지 않도록 키이(224)로 구속한다.

도2, 도3, 도4는 각각 평면도, 정면도, 측면도를 보여준다. 먼저 제1랙기어(21)과 제2랙기어(22)를 일정한 간격을 갖게 하고 인장스프링(24)을 각 랙기어(21, 22)의 일측면에 있는 스프링연결고리(212, 222)에 걸어 서로 연결하여 압축력을 받게 한다. 제2랙기어(22)의 상부면에 돌출되어 있는 키이(224)가 플랜지(23)의 그루브(232)에 삽입될 수 있도록 하고 제1랙기어(21)는 플랜지(23)와 체결용 볼트(b)를 이용하여 결합한다. 플랜지(23)에 형성된 그루브(232)의 너비(d)는 키이(224)의 직경보다 조금 크게 하여 헐겁게 끼이도록 하되 모터(M)의 회전시 돌지 않도록 공차를 작게 유지한다. 플랜지의 그루브(232)은 제2랙기어(22)의 키이(224)가 피니언기어(1) 길이방향으로 잘 움직일 수 있도록 좁고 길게 형성하며, 피니언기어(1)의 경사면(11)이 제1랙기어(21)과 제2랙기어(22)의 경사면(211, 221)과 스프링(24. 24')의 압축응력으로 백 래쉬가 없는 결합이 되도록 한다(도 5 참조)

이와 같이 본 발명의 구성상 특징은 선형 이동체를 운반하는 랙기어를 2개 이상 사용하고, 랙기어와 랙기어사이를 스프링을 사용하여 압축력 또는 인장력으로 피니언기어와 랙기어사이의 골과 산이 이루는 경사면이 완전한 결합을 이루도록 하고, 하나의 랙에 키이를 형성하여 피니언기어가 회전하여도 이에 치합된 랙기어가 회전하지 않도록 플랜지에 의하여 구속력을 갖게하고, 플랜지에 길이방향으로 좁고 긴구멍인 장공의 구멍을 만들어 랙기어가 피니언기어 운동방향으로 자유롭게 움직일 수 있게 한 것 등에 그 특징이 있는 것이다.

이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 백 래쉬가 없는 랙/피니언기어는 회전운동이 변환되어 선형 운동시 백 래쉬가 없으므로 정밀운동제어에 사용할 수 있다. 특히 회전운동으로 선형운동을 얻어내는 방식에서 기계적 마찰력에 인한 운동정밀도보다 백 래쉬에 위한 운동정밀도가 더 큰 영향을 받고 있어 단순한 피니언기어/랙기어 사용으로는 높은 운동 정밀도를 얻어내는 것은 불가능하였다. 비선형제어를 통한 방법도 제안되고 있지만 한계가 있고 기계적으로 백 래쉬를 없애는 방법보다는 성능이 떨어질 수밖에 없어 본 발명으로 쉬운 제어를 통하여도 높은 운동정밀도를 얻어 낼 수 있다.

Claims (1)

1. 피니언기어의 회전운동을 랙기어의 직선운동으로 변환시키기위하여 스프링과 두 개 이상의 랙기어를 사용하여 백 래쉬를 없게 한 것으로, 모터에 의하여 회전운동하는 피니언기어(1)가 저면에 각각 형성된 기어부(211, 221)에 치합되어 선형운동을 하는 제1랙기어(21) 및 제2랙기어(22) 사이를 스프링(24, 24')으로 연결하여 스크류(1)와 두 랙기어(21, 22) 사이에 압축력 또는 인장력이 발생되어 피니언기어(1)와 두 랙기어(21, 22)의 골과 산을 이루는 경사면이 백래쉬없는 결합이 되고, 제1랙기어(21)의 상부면에 판상체의 플랜지(23)가 고정용 볼트(b)에 의하여 고정되고, 제2랙기어(22)의 상부면에 키(224)를 형성하여 플렌지(23)에 형성된 좁고 긴구멍인 그루브(232)에 삽입되어 키(224)가 구속되도록 한 백래쉬없는 랙/피니언기어