KR100737815B1 - 작동 완구용 회전각도 절대 위치 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 작동 완구의 회전부재의 회전각도 절대 위치 제어 장치에 있어서, 모터, 인코더 및 감속 기어를 사용하지 않으면서도 소형이고 전력 소모가 적으며 내구성이 높으며 360도 회전이 가능한 회전각도 절대 위치 제어 장치를 제공한다.

이상과 같은 본 발명의 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 작동완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치는,

회전부재의 외각에 등각도로 서로 소정거리 이격되게 설치되고, 각각이 서로 대향하는 N, S극을 가지는 2개 이하의 자석들과; 베이스에 고정 설치되고, 코일이 권취되어 있으며, 상기 자석들의 하부의 베이스에 등각도로 서로 소정거리 이격되어 설치되며, 전류가 인가되면 상기 자석들 중 하나를 끌어당겨는 극성을 발생시키며, 상기 자석수보다 더 많은 홀수개인 코일부들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

작동완구, 회전부재, 자석, 코일, 회전각도 절대위치

Description

작동 완구용 회전각도 절대 위치 제어 장치{Absolute Angle Positioning Device for Plaything}

도1은 본 발명의 선출원인이 발명한 종래기술을 도시함

도2는 본 발명의 기본적인 구성을 도시함

도3은 도2의 동작을 도시함

도4는 도3에서 회전위치로 회전부재를 회전시키기 위한 코일부의 극성을 설명하는 표

도5는 눈동자의 다양한 표정을 도시함

도6은 도2에 따른 본 발명이 작동완구의 눈동자에 적용되는 것을 도시함

도7은 도6의 눈동자가 적용된 작동완구의 머리 부분을 도시함

본 발명은 작동 완구용 회전각도 절대 위치 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작동완구의 각종 부재를 특정 각도로 회전시키기 위한 모터, 인코더와 감속 기어를 사용하지 않으면서 작동완구의 각종 부재를 원하는 각도로 회전시키는 것을 가능하게 하여, 작동 완구의 가격을 낮추고 회전각도 조절 장치의 부피 를 극소화시킬 수 있는 작동 완구용 회전각도 절대 위치 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 사람이나 동물의 동작을 흉내 내는 각종 작동 완구는 머리를 끄떡이는 동작, 입을 개폐하는 동작, 눈동자를 돌리는 동작, 팔을 들거나 회전시키는 동작 등을 위해서는, 관련 회전 부재(목뼈에 해당하는 회전부재, 아래턱에 해당하는 회전부재, 눈동자를 돌리기 위한 회전부재, 팔 관절에 해당하는 회전 부재 등)를 구동시켜 원하는 각도로 회전하도록 제어해야 한다.

그런데, 종래기술에서는 이러한 회전부재를 원하는 각도로 회전시키기 위하여 모터와 함께 모터에서 발생된 회전을 감속시키는 감속기를 사용하여, 모터에서의 회전동력을 감속기에 의해 감속시켜 회전부재를 회전시키고, 원하는 각도로 회전되었는지를 인코더를 통해 감지하여 원하는 각도로 회전하도록 모터를 제어하게 된다.

그러나 상기한 바와 같이 작동 완구의 회전부재용 구동력을 발생시키는 부품으로 모터, 인코더 및 감속 기어를 사용하게 되면, 이러한 모터, 인코더 및 감속 기어의 부피로 인하여 작동 완구의 부피가 매우 커지고, 모터, 인코더와 감속 기어가 작동시간이 상당히 경과하면 고장이 쉽게 발생하게 되기 때문에, 소형이고 내구성이 높은 회전부재용 각도 제어 장치를 제공하는 것이 어렵게 된다.

이러한 큰 부피의 문제점을 해결하기 위하여, 부피가 매우 작은 모터(초소형 모터) 및 감속 기어를 사용할 수 있는데, 이 방법을 사용하면 부품의 단가가 매우 비싸기 때문에 작동 완구의 제조비용이 증가되는 문제점이 있다.

특히, 모터를 사용하는 경우에 전력 소모가 높고 감속기에 의한 토크 감소가 심하여, 배터리로 작동하는 작동완구의 회전부재를 자주 동작시키면 전력 소모가 크게 되어 배터리를 자주 교체해 주어야 한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인의 선행출원인 특허2006-84127호(2006. 9.1출원)에서는 도 1과 같이 배치된 코일(1)에 의한 회전력과 스프링(3)에 의한 반발력이 균형이 되는 위치에서 회전부재(2)가 회전을 정지하는 원리를 이용하여 양방향(시계방향과 반시계방향)으로 일정 각도 회전하도록 제어하는 방법을 사용하였다.

그러나 이러한 본 출원인의 종래기술에서는 일정각도 이상 회전시키지 못하여 (시계/반시계방향으로 대충 40-60도 정도 회전이 가능) 어지럽다는 동작을 구현하기 위하여 눈동자를 뺑뺑 계속 돌리거나 체조동작을 구현하기 위해 머리/팔을 계속 돌리는 동작을 구현하기가 불가능한 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 작동 완구의 회전부재의 회전각도 절대 위치 제어 장치에 있어서, 모터, 인코더 및 감속 기어를 사용하지 않으면서도 소형이고 전력 소모가 적으며 내구성이 높으며 360도 회전이 가능한 회전각도 절대 위치 제어 장치를 제공한다.

이상과 같은 본 발명의 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 작동완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치는,

회전부재의 외각에 등각도로 서로 소정거리 이격되게 설치되고, 각각이 서로 대향하는 N, S극을 가지는 2개 이하의 자석들과; 베이스에 고정 설치되고, 코일이 권취되어 있으며, 상기 자석들의 하부의 베이스에 등각도로 서로 소정거리 이격되어 설치되며, 전류가 인가되면 상기 자석들 중 하나를 끌어당겨는 극성을 발생시키며, 상기 자석수보다 더 많은 홀수개인 코일부들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 본 발명의 회전각도 절대 위치 제어 장치의 원리를 도2를 통해 설명하기로 한다.

도2에서는 제1, 2, 3코일(1, 2, 3)이 각각 120도의 각도를 가지도록 베이스상의 평면상에 고정 배치되어 있고, 회전부재(4)가 회전축(5)을 중심으로 회전 가능하게 결합되며, 회전부재(4)의 양단에는 서로 반대되는 극성의 자석(M1, M2)이 설치된다. 정확하게는 도2에 도시된 N극(M1), S극(M2)은 코일(1, 2, 3)과 대면하는 하부의 극성을 의미하지만, 설명의 편의상 상부에 도시를 하면서 점선으로 표시되어 있다.

이제, 회전부재(4)가 임의의 위치(도3a; N극이 A 위치에 있는 것)에 있다가, 도3c와 같이 회전부재(4)의 N극이 절대 각도 위치(E)가 되도록 반시계방향으로 회전하기 위해서는 먼저, 코일(2)의 상부에 N극이 형성되도록 전류를 인가한다. 그러면 코일(2)의 N극은 D 위치에 있는 회전부재(4)의 S극을 끌어당겨서 도3b에서와 같이 회전부재(4)의 N극(M1)이 위치(F)에 오게 된다. 다음으로, 코일(2)의 전류를 미인가하고 코일(3)에 S극이 형성되도록 전류를 인가하면 N극(M1)이 코일(3)의 S극에 끌려서 도2c에서와 같이 회전부재(4)의 N극(M1)이 위치(E)로 오게 된다.

즉 회전부재(4)의 N극(M1)이 위치(A)에 있다가 반시계방향으로 위치(E)로 이동하기 위해서는, 도4의 표에서 위로 올라가는 순환하는 경로(A위치--> F위치--> E위치)로 가기 위하여 코일(2)에 N극이 형성되도록 전류를 인가하여 먼저 위치(F)로 가고 나서, 다시 코일(3)에 S극이 나타나게 전류를 인가하여 다시 위치(E)로 가게 된다.

물론, N극(M1)이 시계방향으로 위치(A)에서 위치(E)로 이동할 수도 있는데(A위치--> B위치--> C위치--> D위치--> E위치), 이때에는 도4의 표에서 아래로 내려가도록 코일(3)이 N극이 되도록 전류를 인가하여 위치(B)로 이동하고, 다시 코일(2)이 S극이 되도록 전류를 인가하여 위치(C)로 이동하며, 이후에 코일(1)에 N극이 형성되도록 전류를 인가하여 위치(D)로 이동하며, 마지막으로 코일(3)에 S극을 인가하여 위치(E)로 이동하게 한다.

이와 같은 원리로, 코일(1, 2, 3)의 상부가 도4에 있는 표와 같은 극성을 가지도록 전류를 차례로 인가하면 원하는 위치에 회전부재(4)의 N극(M1)이 위치하게 할 수 있다. 도4에서 S는 코일의 상부가 S극이 되도록 전류를 인가한다는 의미이고, N은 코일의 상부가 N극이 되도록 전류를 인가한다는 의미이며, (-)는 코일에 전류를 인가하지 않는다는 의미이다.

한편, 도1 내지 3에 따른 본 발명의 회전각도 절대 위치 제어 장치는 회전부재(4)의 N극(M1)이 어느 위치에 있는지를 알 수 있는 장치가 없기 때문에, 본 발명의 회전각도 절대 위치 제어 장치를 이용하는 장치에서 전원을 투입하는 초기화 단계에서 처음 N극(M1)의 위치가 위치(A)에 있지 않을 경우 도4의 표에 따라서 위 치(B)가 되도록 구동전류를 흘려도 위치(B)로 반드시 이동한다고 볼 수 없게 된다. 그래서, 전원 투입시의 초기화 단계에서 자기 위치를 인식하기 위하여 마지막 작동 위치를 프래쉬 메모리와 같은 불활성 메모리에 저장하는 방법이 있는데, 이 방법은 전원 투입시의 자기 위치를 알고 있으므로, 바로 도4의 표에 따라 전류를 인가하면 바로 원하는 위치로 이동하므로 동작의 연속성을 보장할수 있으나, 불필요한 고가의 프레쉬 메모리와 이와 관련된 회로들로 인하여 제작 비용이 상승하게 된다.

보다 현실적인 해결방안으로는 한쪽 방향으로 7회 이상의 구동전류를 흘리면 현 위치와 구동전류의 패턴이 일치한 순간부터는 정상적인 절대위치의 제어가 가능하다.

예를들어, 전원인가시에 도3c에서와 같이 위치(E)에 있었다면 위치(A)에 대응하도록 코일(1)에 S극이 형성되도록 전류를 인가해도, 회전부재(4)의 S극(M2)를 약하게 밀지만, S극(M2)을 당겨주도록 코일(2)에 N극이 형성되지 않아 회전부재(4)가 움직이지 않는다.

다음으로 위치(B)에 대응하도록 코일(3)에 N극이 형성되게 하여도 N극(M1)이 코일(3)과의 반발력으로 인하여 반발할 뿐 S극(M2)를 끌어 당기도록 코일(2)에 N극이 형성되지 않기 때문에 회전부재(4)가 움직이지 않는다.

마찬가지로 위치(C)에 대응하도록 코일(2)에 S극이 형성되는 전류를 인가하여도 움직이지 않고, 위치(D)에 대응하도록 코일(1)에 N극이 형성되도록 하면 코일(1)의 N극이 S극(M2)를 당겨서 회전부재(4)가 위치(D)로 회전하며, 이 상태에서 위치(E)에 대응하도록 코일(3)에 S극이 형성되도록 하면 회전부재(4)가 위치(E)로 회전한다.

다음으로, 위치(F)에 대응하도록 코일(2)에 N극이 형성되도록 하면 S극(M2)를 코일(2)의 N극이 당겨서 회전부재(4)가 위치(F)로 회전하고, 다시 위치(A)에 대응하도록 코일(1)에 S극을 형성하면 비로소 회전부재(4)가 위치(A)로 오게 된다.

따라서, 전원 인가시 임의의 위치에 있는 회전부재(4)의 N극(M1)을 임의의 위치(A위치)에 오게 하려면, 최악의 경우에도 도4의 그 위치(A)에 해당하는 전류 패턴에서 시작하여 시계방향 또는 반시계 방향으로 7회를 순서대로 전류 패턴을 인가하면 된다. 결국 ((코일의 수) X 2 + 1)회의 전류 패턴을 차례로 인가하면 원하는 위치에 오게 된다.

이러한 초기화 과정은 전원 투입시 한 번만 실시하면 되므로 간편하고 제조 비용의 상승이 없다.

한편, 위에서는 회전부재(4)가 회전을 하는 경우에 한번에 60도씩 각도 이동하기 위해, 도2와 같이 코일 3개를 120도 각도로 배치하고 막대형태의 회전부재(4)의 양단에 자석을 1개씩 배치하여 360/(2x코일수(3개))=60도의 정밀도를 가지는 각도 회전이 가능하였으나, 코일수를 등각도로 5, 7 ....(홀수개)를 배치하면 각각 360/10=36도, 360/14=26도 정도의 정밀도를 가지게 되어 보다 정밀한 회전 각도로 회전이 가능하게 할 수도 있다.

한걸음 더 나아가 예를들어 도3a에서 코일(3)에 N극이 형성되도록 전류를 인가하고 동시에 코일(1)에 S극이 형성되도록 한다면 두 개의 코일(1, 3)의 당기는 힘이 균형을 이루는 지점에서 회전을 멈추어 도3d에서와 같이 N극(M1)이 위치(A)와 위치(B)의 중간 정도에 위치하게 되고, 이어서 코일(1)의 인가 전류를 단절하면 N극(M1)이 B의 위치로 이동하는 방식을 사용하면, 보다 미세한 위치 제어가 가능하고, 위치(A)에서 순간적으로 위치(B)로 이동하지 않고 중간위치에 잠시 정지했다 이동하게 되어 보다 부드러운 회전 동작이 가능해진다.

이때 두 개의 코일에 서로 다른 비율로 전류를 인가하면 이 인가된 전류의 크기에 따라 위치(A)와 위치(B) 사이의 지점에 위치하게 되어, 거의 무한대의 미세한 위치 제어와 상당히 부드러운 회전이 가능할 것이다.

이제, 도2에서와 같은 기본적인 구성을 가지는 본 발명을 눈동자에 적용하는 방법에 대해 도5, 6, 7을 참고로 하여 설명해 보도록 하자.

도5에서와 같이 작동완구의 좌우 눈동자를 적절히 교체함으로써 다양한 표정을 연출할 수 있다.

이를 위하여, 도6에서와 같이, 도2와 같은 본 발명의 회전부재(4)의 상부에, 회전부재(4)가 0, 60, 120, 180, 240, 300도 각도로 회전한 경우에 나타나야 하는 그림(5)이 그려진 회전판(6)을 설치하고 하부에 2개의 자석(M1, M2)이 고정 설치하여, 이러한 회전판(6)이 설치된 본 발명의 회전 각도 절대 위치 제어 장치를 좌우 눈동자 커버(7) 안쪽에 각각 설치한다. 이때, 자석(M1)의 N극과 자석(M2)의 S극은 코일(1)과 대면하여 상호 작용하는 극성이므로 설명의 편의상 타측의 극성보다 크게 도시되어 있다.

이제, 다양한 눈동자 표정을 연출하는 방법에 대해 설명하기로 한다.

예를들어, 도5의 상단의 우측 첫 번째 표정을 연출하기 위해서는, 이러한 좌우 눈동자가 각각 위치A(도7의 도면기호 5-1 위치), D(도7의 도면기호 5-4 위치)에 있다면, 좌우측 눈동자를 위한 코일(1,2, 3)에 도4의 표를 참조하여 A, D위치에 오도록 좌우측 눈동자 코일(1, 2, 3)에 전류를 차례로 인가한다. 그러면 우측 눈동자의 개구부(8)에 원하는 눈동자 그림이 오게 되어, 이러한 원리가 좌측에도 적용되면, 마침내 좌우측 눈동자의 개구부(8, 9)를 통해 도5의 우측 상단의 눈동자 그림이 보이게 된다. 이때, 도7에서 실선으로 표시된 눈동자(5-1)는 개구부(8)를 통해 노출되는 눈동자를 나타내고, 점선으로 표시된 눈동자들(5-2, 5-3, 5-4, 5-5, 5-6)은 커버(7)의 안쪽에 있어 개구부(8)를 통해 외부로 노출되지는 않지만 회전부재(4)를 회전시켜 커버(7)의 개구부(8)를 통해 노출시킬 수도 있기 때문에 점선으로 표시한 것이다. 좌측에 대해서도 마찬가지이다.

마지막으로, 어지러워서 좌우 눈동자가 각각 계속하여 회전하는 경우를 표현하기 위해서는, 좌우측 눈동자용 코일(1, 2, 3)에 눈동자 회전을 위한 전류를 차례로 인가하면 좌우측 눈동자의 개구부(8, 9)를 통해 그림은 상이하지만, 여러 그림이 계속해서 나타나므로 어지러운 눈동자 표정이 연출된다.

그리고, 위에서는 베이스에 코일이 고정 설치되고 회전부재에 자석이 설치되는 것으로 기재를 하였으나, 반대로 베이스에 자석이 고정 설치되고, 회전부재에 코일이 설치되는 구조도 가능하다.

또한, 위에서는 작동완구의 눈동자를 대상으로 설명을 하였으나, 작동완구의 머리를 전후좌우 일정 각도 회전시키거나, 입을 개폐하거나, 팔을 들고 내리는 동작도 구현할 수 있다. 이 경우에는 이러한 동작을 위한 회전축을 상기 회전부재에 결합시키면 된다.

한편, 이상에서는 각각이 N, S 극을 가지는 2개의 자석을 이용하는 것으로 기재를 하였으나, 나침판처럼 양단에 N극과 S극을 가지는 하나의 막대 자석의 중간에 회전축을 끼우는 구멍을 뚫어서, 자석을 1개만 사용하는 것도 가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 수정이 가능하다.

이상과 같은 본 발명을 이용하면 본 발명은 모터 및 감속 기어를 사용하지 않으면서도 소형이고 전력 소모가 적으며 내구성이 높으며 360도 회전이 가능한 회전 각도 절대 위치 제어 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

Claims (12)

1. 회전부재의 양단에 서로 소정거리 이격되게 배치되고, 각각의 하부가 서로 대향하는 극성을 가지는 자석과;

   각각에 코일이 권취되어 있고, 상기 자석의 하부의 베이스에 등각도로 서로 소정거리 이격되게 고정 설치되며, 전류가 인가되면 상기 자석의 극성 부분을 끌어당기는 극성을 발생시키며, 3개 이상의 홀수개인 코일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 작동완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치.
2. 베이스에 서로 소정거리 이격되게 배치되고, 각각의 상부가 서로 대향하는 극성을 가지는 자석과;

   각각에 코일이 권취되어 있고, 상기 자석의 상부의 회전부재에 등각도로 서로 소정거리 이격되어 고정 설치되며, 전류가 인가되면 상기 자석의 극성부분을 끌어당기는 극성을 발생시키며, 3개 이상의 홀수 개인 코일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 작동완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회전 각도 절대 위치 제어 장치의 회전 각도의 정밀도는 360/( 2 X 코일부의 수)로 정해지는 것을 특징으로 하는 작동 완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전원 인가시에 원하는 위치로 회전부재가 이동하게 하기 위해, 원하는 위치에 해당하는 전류 인가 패턴에서 회전 방향으로 차례로 ((2 X 코일부의 수)+1)회 만큼의 전류 패턴을 상기 코일부에 인가하는 것을 특징으로 하는 작동 완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자석은 2개이고, 상기 코일부는 3개인 것을 특징으로 하는 작동 완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코일부는 상기 회전부재의 회전을 위해 임의의 순간에 오직 하나의 코일부에만 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 작동 완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코일부는 상기 회전부재의 회전을 위해 임의의 순간에 2개의 코일부에 동시에 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 작동 완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 2개의 전류는 그 크기가 동일한 것을 특징으로 하는 작동 완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 2개의 전류는 그 크기가 상이한 것을 특징으로 하는 작동 완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다양한 눈동자 그림이 원주를 따라 그려져 있고 상기 회전부재와 함께 회전하는 회전판을 더 포함하여, 이 회전부재의 회전에 따라 회전판의 특정 그림만이 개구부를 통해 노출되도록 함으로써, 다양한 눈동자 동작이 구현되는 것을 특징으로 하는 작동 완구용 회전 각도 절대 위치 제어 장치.
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