KR100578538B1 - 로타리 엑츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압라인으로 부터 제공되는 유압의 흐름에 따라 실린더 내에서 직선운동을 하는 피스톤이 중심축의 회전운동으로 변환되도록 된 유체 동력식 로타리 엑츄에이터에 있어서, 직선/회전 변환수단은 중심축의 확대단에 원호형 단면을 갖는 스크류형 볼 로드를 다중으로 형성하고, 각 스크류형 볼 로드에 접하는 피스톤 몸체의 하단에는 볼 홈을 형성하고, 실린더 내벽 하단에 형성된 단에는 상기한 볼 홈과 짝을 이루는 직선형 볼 로드를 형성하여 볼 홈에 끼워진 볼이 상기한 직선형 볼 로드 및 스크류형 볼 로드에 걸려 서로 맞물리도록 결합되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 로타리 엑츄에이터이다.

엑츄에이터, 힌지, 직선/회전 변환수단

Description

로타리 엑츄에이터{ HYDRAULIC ROTARY ACTUATOR }

도1은 본 발명의 기본 구성도

도2는 본 발명의 결합상태의 단면 구조도

도3은 도2의 A-A부 단면도

도4는 본 발명의 다른 실시례도

도5는 도4의 결합 상태의 단면 구조도

도6은 도5의 A-A부 단면도

*주요부호의 설명

10. 몸체 11.실린더 12.브라켓

20.피스톤 21.헤드 22.몸체

30.중심축 31.확대단 32.후렌지

40.유압라인 41. 홈 42.블럭

43.볼트 44.유압포트 45.유량조절볼트

50.직선/회전 변환수단 51.스크류형 볼 로드

52.볼홈 53.직선형 볼 로드

54. 볼 55.직선형 볼 로드 56.제2 볼 홈

57.제 2직선형 볼 로드 58.제2 볼

60.볼 가이드 70.후렌지

본 발명은 유체 동력식 로터리 엑츄에이터에 관한 것이며, 상세히는 선회동작을 유도하기 위한 직선/회전 변환장치를 구성함에 있어서 중심축 상에 형성한 스크류형 볼 로드와 피스톤 및 실린더 내벽에 형성한 직선형 볼 로드 및 각 볼 로드에 물리도록 피스톤 본체의 벽체에 삽입된 볼의 작용에 의해 유압에 의한 피스톤의 직선운동이 중심축의 회전운동으로 전환되도록 구성한 엑츄에이터에 관한 것이다.

엑츄에이터는 축 또는 축에 결합된 후렌지를 0 - 360°범위내에서 선회시키기 위한 기구로서 고소작업차의 선회부 등과 같이 모터나 기어 사용이 곤란하고 큰 중량물을 선회시켜야 하는 부분에 주로 사용되며, 몸체나 후렌지등에 적절한 구조의 브라켓을 결합함으로서 다양한 종류의 기계 기구에 효과적으로 사용할 수 있는 기계요소이다.

통상적인 유체 동력식 로터리 엑츄에이터는 몸체 내부에 실린더가 형성되고, 실린더 내에는 중심에 축공을 갖는 피스톤이 결합되며, 피스톤의 축공에는 중심축이 결합되며, 중심축과 피스톤은 1피치 길이의 헬리컬 스플라인이나 슬랜트 홈 및 핀 등에 의해 서로 맞물리도록 구성되어 피스톤 헤드의 전 후부로 제공되는 외부 유압에 의해 피스톤이 승하강 하면서 내부의 중심축이 360°이내에서 선회하는 구조로 이루어진다.

이와 같은 유체 동력식 로터리 엑츄에이터는 협소한 공간에서도 사용 가능하게 구성되어야 함으로 길이의 축소가 중요한 문제이며, 직선/회전의 변환이 원활하게 유지되도록 하기 위해 매우 정밀한 가공 공정을 요하기 때문에 제작의 용이성과 제작 시간의 단축 여부가 제작비용의 증감에 직접 관계된다.

종래 제시된 엑츄에이터 중 대한민국 공개특허 97-039177호는 직선/회전의 변환을 위하여 샤프트 외측과 이에 접하는 피스톤 내측이 헬리컬 스플라인 구조로 맞물리고, 피스톤 슬리브와 이에 접하는 바디의 내벽에도 헬리컬 스플라인에 의해 맞물리도록 한 구조로서 다중 헬리컬 스플라인을 구성하기 위해 매우 정밀하고 복잡한 가공 공정이 요구되는 구조이다. 따라서, 상기한 구조는 제작에 소요되는 기간과 비용이 증대될 수밖에 없고, 맞물림 부가 헬리컬 형태로서 면접촉되는 구조이기 때문에 접촉과정에서 마찰이 발생하고, 원활한 직선/회전 변환을 위하여 피치 각을 충분히 크게 하여야 함으로 엑츄에이터의 전체 길이를 일정 이상 단축시킬 수 없는 한계가 있었다.

대한민국 공개특허 2002-0065878호는 튜브 내에서 엑슬 로드가 회전하는 구조로서 엑슬로드상에 형성한 슬랜트 홈과 피스톤 상에 축 고정된 핀이 맞물리고, 피스톤 외벽에 형성한 슬랜트 홈과 튜브 내에 축 결합된 핀이 서로 맞물리도록 된 구조로서 피스톤의 운동시 2 요소에서 선회가 이루어짐으로서 짧은 길이 이동으로도 선회각이 큰 장점이 있으나 슬랜트 홈에 물려 회전운동을 유도하는 핀이 축을 중심으로 한 회전만 가능하고, 경사진 형태의 슬랜트 홈으로부터 작용하는 경사방향의 힘에 대하여 효과적으로 반응하지 않기 때문에 핀과 이에 접촉하는 슬랜트 홈이 쉽게 마모되는 단점이 있다. 또한, 액슬로드에 큰 힘이 걸릴 경우에는 핀이 쉽게 깨어질 수 있는 등 내구성 면에서 취약점이 있으며, 슬랜트 홈 등 정밀한 가공을 요하기 때문에 비용 및 제작 시간을 단축시키는데 한계가 있었다.

본 발명은 볼의 일부가 걸리도록 중심축 상에 다중으로 형성한 스큐류형 볼 로드와 피스톤에 결합한 볼이 물리고, 피스톤은 실린더 내벽에 형성한 직선형 볼 로드에 물려지는 구조의 직선/회전 변환장치에 의한 로타리 엑츄에이터를 제시함으로서 볼이 베어링 작용을 하여 힘의 작용방향에 관계없이 힘을 분산 전달하여 내구성을 향상시킬 수 있고, 가공성이 용이한 호형의 홈을 직선형 또는 스크류형으로 가공함으로서 쉽고 간편하게 제작할 수 있는 이점을 제공할 목적을 갖는다.

이하 첨부 도면에 의한 실시례에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도2는 본 발명의 기본 구조를 도시하기 위한 것으로, 본 발명은 내부에 실린더(11)가 형성된 몸체(10)와; 상기 몸체의 실린더(11)에 결합되고 중심에 축공이 형성되는 피스톤(20)과; 상기 피스톤의 축공에 결합되고 양단이 몸체에 대하여 회동 되도록 베어링에 지지되는 중심축(30)과; 피스톤 헤드(21)가 실린더의 저 점에 이르렀을 때 피스톤 헤드에 의해 분리되는 실린더의 상하부 공간에 연결되는 유압라인(40)과; 피스톤 헤드가 실린더의 저점에 위치할 때 각기 접하는 피스톤 본체와 실린더 내벽 및 중심축 외표면에는 외부 유압에 의한 피스톤의 직선운동을 중심축의 회전운동으로 전환시켜 주는 직선/회전 변환수단(50);이 결합되어 유압라인으로 부터 제공되는 유압의 흐름에 따라 실린더 내에서 직선운동을 하는 피스톤이 중심축의 회전운동으로 변환되도록 된 구성의 유체 동력식 로타리 엑츄에이터에 있어서, 직선/회전 변환수단(50)은 중심축(30)의 확대단(31)에 원호형 단면을 갖는 스크류형 볼 로드(51)를 다중으로 형성하고, 각 스크류형 볼 로드에 접하는 피스톤 몸체(22)의 하단에는 볼 홈(52)을 형성하고, 실린더 내벽 하단에 형성된 단(11a)에는 상기한 볼 홈(52)과 짝을 이루는 직선형 볼 로드(53)를 형성하여 볼홈에 끼워진 볼(54)이 상기한 직선형 볼 로드(53) 및 스크류형 볼 로드(51)에 걸려 서로 맞물리도록 결합되는 구조를 갖는다.

상기 구조는 유압라인(40)이 유압포트(41)(42)에 의해 외부 유압회로(도시되지 않았음)에 연결된 상태에서 실린더 내의 피스톤 헤드에 의해 구분되는 하부 공간(11c)에 유체가 공급되고, 상부공간(11b)의 유체가 회수되는 유압흐름에 의해 피스톤이 상승하면 중심축(30)의 스크류형 볼 로드(51)에 물려진 볼(54)이 스크류형 볼 로드를 타고 선회하고, 실린더의 내벽에 형성된 직선형 볼 로드(53)는 피스톤이 회전되는 것을 제한하여 결국 내부의 중심축만 회전함으로서 피스톤의 직선운동이 중심축의 회전운동으로 변환된다.

상기한 유압라인(40)은 피스톤의 직선운동을 유도하기 위해 몸체에 형성되는 요소로서 외부의 유압시스템(도시되지 않았음)에 연결되며, 몸체로 부터 분리 결합가능하게 구성한 블록 내에 주요 구성요소를 형성함으로써 제작이 간편해진다. 유압라인의 실시례로서 본 발명은 몸체내에 블럭을 삽입하기 위한 홈(41)을 내고, 블럭(42)에는 유압포트(44)와 연속된 라인을 형성하되 상기 라인은 유량조절볼트(45)에 의해 유량 조절이 가능하도록 구성하여 상기 블럭을 홈에 넣고 볼트(43)로 조여 결합함으로서 상기 라인과 몸체 내에 형성된 라인이 서로 연결되어 실린더의 상하부 공간으로 유압의 흐름이 이루어지도록 구성한 것을 보인 것이다.

직선/회전 변환수단(50)은 중심축이 몸체(10)에 베어링에 의해 회동 가능하게 결합되어 몸체에 부착되는 다양한 형태의 브라켓(12)에 의해 고소차등의 고정요소(도시되지 않았음)에 결합되고, 중심축의 일단 또는 양단에는 후렌지(32)등에 의해 선회요소(도시되지 않았음)가 결합되어 유압 조작에 따라 이들 선회요소를 간편하게 선회시킬 수 있게 된다. 즉, 실린더의 하부공간(11c)으로 압유가 공급되고 상부공간(11b)의 오일을 회수하면 피스톤은 실린더 내에서 상향으로 진행하고, 실린더와 피스톤 및 중심축이 각기 볼에 의해 물려진 상태이고 실린더는 고정부재인 몸체에 형성된 요소임으로 피스톤은 실린더의 직선형 볼 로드를 타고 직선으로 움직이며, 그 상승압력이 회전요소인 중심축과 그 축에 형성된 스크류형 볼 로드의 작용에 의해 중심축의 회전운동으로 변환시키게 된다.

이 과정에서 볼은 베어링과 같은 작용을 하고, 점 형태의 접촉점을 유지하며, 스스로 방향성 없이 회전함으로 운동에 대한 저항이 감소되고, 특정 방향으로부터 힘이 가해지더라도 스스로 회전하면서 이를 수용하고 분산시킴으로서 접촉부의 마모나 파손을 현저히 감소시키는 기능을 수행한다. 또한, 피스톤과 중심축의 연관 동작을 수행하는 과정에서 마찰저항이 최소가 됨으로 중심축에 형성된 스크류형 볼 로드의 피치 각을 충분히 작게 하더라도 원활하게 직선/회전 변환이 이루어지며, 그에 따라 엑츄에이터의 전체 길이를 감소시킬 수 있게 된다. 또한, 중심축에 형성되는 스크류형 볼 로드는 볼의 일부가 걸리도록 형성되는 원호형 단면 구조로서 일반적인 헬리컬 스플라인이나 복잡한 접촉면 설계가 요구되는 슬랜트 홈에 비해 가공이 용이하고, 정확한 가공이 가능하여 제조비용을 절감시킬 수 있는 효과를 갖는다.

피스톤의 몸체(22)에 형성된 볼홈은 설치 개수는 중심축의 직경이 커서 각 볼홈에 삽입된 볼의 독립된 스크류형 볼 로드를 형성할 여유가 있는 범위 내에서 제한을 받지 않으며, 통상 도3에 도시한 바와 같이 각기 90°각도를 유지하도록 4개의 볼홈을 형성하여 각각의 볼홈에 볼을 결합하고, 볼의 접촉 위치에 스크류형 또는 직선형 볼 로드를 형성함으로서 안정된 직선/회전 변환이 이루어진다.

본 발명은 상기에서 실린더 내벽에 형성되는 직선형 볼 로드를 형성함에 있어서, 실린더 벽체에 직접 형성하지 않고, 별도의 볼 가이드에 형성하여 상기 볼 가이드를 실린더 내벽에 결합 고정하는 구조로 실시하여 실린더 내벽 상에 형성되는 볼 로드의 가공을 용이하게 할 수 있다.

도 3 및 도 5는 볼가이드를 사용한 또다른 다른 실시형태를 도시한 것으로서 실린더의 하단 내벽에 원통형 형상의 볼 가이드(60)를 삽입하여 고정할 수 있는 볼 가이드 삽입부(11d)를 형성하고, 여기에 원통형 볼 가이드(60)를 삽입하여 고정하며, 볼 가이드(60) 내벽의 피스톤에 형성된 볼 홈(52)과 접하는 위치에는 직선형 볼 로드(55)를 형성하고, 볼 가이드의 상부에는 제2 볼 홈(56)을 형성하며, 피스톤의 몸체 외표면의 상기 제2 볼홈(56) 접촉부에는 제2 직선형 볼 로드(57)를 형성하여 피스톤의 볼홈에 삽입된 볼(54)이 중심축의 스크류형 볼 로드(51)와 볼 가이드의 직선형 볼 로드(55)에 물려지고, 볼 가이드의 볼홈(56)에 삽입되는 제 2 볼(58)이 피스톤 몸체의 직선형 볼 로드(57)에 물리도록 결합된다.

상기한 각 볼 홈 및 로드는 도6에 도시된 바와 같이 볼이 움직이는 과정에서 상호 간섭하지 않도록 일정한 각도가 유지되는 위치에 형성되며, 본 실시례는 피스톤의 볼 홈(52)을 각기 90°각도가 유지되도록 4개 형성하고, 볼 가이드의 볼홈(56) 또한 각기 90°각도가 유지되도록 4개 형성하며, 볼 가이드의 볼홈과 피스톤의 볼홈은 각기 45°가 유지되도록 형성하여 운동 경로가 서로 엇갈리도록 구성한 것이다. 상기한 볼홈에는 각기 1개의 볼이 결합됨으로 중심축에는 각 볼에 대응되도록 4줄의 스크류형 볼 로드가 형성되고, 각 해당 위치에 직선형 볼 로드 또한 4줄이 형성되는 구조를 갖는다.

상기한 실시례는 엑츄에이터를 대용량으로 구성할 경우 그에 비례하여 커지는 몸체 가공을 용이하게 하기 위한 것으로 실린더 내벽에 직선형 볼 로드를 직접 형성하지 않고, 볼 가이드에 직선형 볼 로드를 형성한 후 이를 나사 또는 기타의 고정수단으로 결합하여 볼 가이드와 실린더를 일체화함으로서 가공이 용이해지고, 실린더는 전 후부에서 볼에 의해 지지된 상태로 승강함으로서 안정된 상태로 직선운동이 이루어지고, 그 만큼 중심축을 회전시키는 저항을 감소시킬 수 있게 된다.

상기한 각 실시례는 중심축을 지지하기 위해 중심축 상단 부는 중심축에 키(120)로 고정 결합되는 후렌지(32)를 결합하고, 상기 후렌지는 내측에 축단(32a)을 형성하여 실린더 내벽에 베어링(130)으로 지지하고, 중심축 하단은 몸체에 고정되는 후렌지(70)에 베어링(140)으로 지지시키는 구조를 도시한 것이며, 몸체 상에 브라켓(12)를 결합한 구조를 도시한 것이다. 그러나, 상기한 각 실시례에서 몸체에 대한 중심축의 지지구조나 중심축에 결합되는 후렌지등의 구조는 엑츄에이터의 사용 부위와 목적에 따라 다양하게 변경된 방식으로 실시될 수 있는 요소이다.

상기한 각 실시례에서 미 설명된 부호100은 각 결합요소의 기밀을 위하여 결합되는 실을 표시하고, 110은 피스톤의 상하 행정시 접촉충격을 흡수하기 위한 쿠션 링, 120은 중심축과 후렌지의 고정을 위한 키, 121 및 150은 후렌지의 풀림을 방지하기 위한 반달키와 풀림방지너트, 160은 베어링을 고정하기 위한 너트를 표시한 것이다.

본 발명은 볼의 일부가 걸리도록 중심축 상에 다중으로 형성한 스큐류형 볼 로드와 피스톤에 결합한 볼이 물리고, 피스톤은 실린더 내벽에 형성한 직선형 볼 로드에 물려지는 구조의 직선/회전 변환장치에 의해 볼이 베어링 작용을 하여 힘의 작용방향에 관계없이 힘을 분산 전달함으로서 내구성을 향상시킬 수 있고, 호형의 홈을 직선형 또는 스크류형으로 가공함으로서 가공성이 용이하고 간편하게 제작할 수 있으며, 볼에 의한 저 마찰 효과에 의해 피치 각을 최소화 할 수 있어 엑츄에이터의 길이를 단축시킬 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (3)

1. 내부에 실린더가 형성된 몸체와; 상기 몸체의 실린더에 결합되고 중심에 축공이 형성되는 피스톤과; 상기 피스톤의 축공에 결합되고 양단이 몸체에 대하여 회동 되도록 베어링에 지지되는 중심축과; 피스톤 헤드가 실린더의 저 점에 이르렀을 때 피스톤 헤드에 의해 분리되는 실린더의 상하부 공간에 연결되는 유압라인과; 피스톤 헤드가 실린더의 저점에 위치할 때 각기 접하는 피스톤 본체와 실린더 내벽 및 중심축 외 표면에는 외부 유압에 의한 피스톤의 직선운동을 중심축의 회전운동으로 전환시켜 주는 직선/회전 변환수단;이 결합되어 유압라인으로 부터 제공되는 유압의 흐름에 따라 실린더 내에서 직선운동을 하는 피스톤이 중심축의 회전운동으로 변환되도록 된 유체 동력식 로타리 엑츄에이터에 있어서,

   직선/회전 변환수단은 중심축의 확대 단에 원호형 단면을 갖는 스크류형 볼 로드가 다중으로 형성되고 각 스크류형 볼 로드에 접하는 피스톤 몸체의 하단에 볼홈이 형성되며 실린더 내벽 하단에 상기한 볼홈과 짝을 이루는 직선형 볼 로드가 형성되어 상기 볼홈에 직선형 볼 로드 및 스크류형 볼 로드를 서로 맞물리도록 볼을 결합한 구조로 이루어지고,

   상기 실린더의 내벽에 형성한 직선형 볼 로드는 실린더 벽체로부터 분리되는 별도의 볼 가이드에 형성되고 상기 볼 가이드는 실린더 하단에 형성한 볼 가이드 삽입부에 결합되어 실린더와 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 로타리 엑츄에이터.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 볼 가이드는 내벽의 피스톤에 형성된 볼홈과 접하는 위치에 직선형 볼 로드가 형성되고, 볼 가이드의 상부에 제2 볼홈이 형성되며, 피스톤의 몸체 외 표면의 상기 제2 볼홈 접촉부에 제2 직선형 볼 로드가 형성되어 피스톤의 볼홈에 삽입된 볼이 중심축의 스크류형 볼 로드와 볼 가이드의 직선형 볼 로드에 물려지고, 볼 가이드의 볼홈에 삽입되는 제 2 볼이 피스톤 몸체의 직선형 볼 로드에 물리도록 결합되는 것을 특징으로 하는 로타리 엑츄에이터.

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