KR100966833B1 - 마이크로 기어드 모터 - Google Patents

Abstract

(과제) 감속용 기어 기구에 의해 큰 감속비를 얻을 수 있고, 또한, 샤프트와 피니언과의 높은 동축도(同軸度)가 확보된 마이크로 모터용의 모터 샤프트를 제공하기 위한 것

(해결수단) 마이크로 모터는 모터 토오크가 상당히 작기 때문에, 샤프트 지름 이하의 피니언이어도 모터 토오크에 대해서 충분한 강도를 가지는 것을 찾아낸 것으로, 샤프트의 선단측(先端側)에, 샤프트의 외경 이하의 외경을 가지는 피니언을 일체적으로 형성했다. 피니언을 충분히 소경화할 수 있기 때문에, 감속용 기어 기구에 의해 큰 감속비를 얻을 수 있고, 또한 모터 샤프트 자체에 피니언을 일체적으로 형성하기 때문에, 샤프트와 피니언과의 높은 동축도를 확보할 수 있다.

마이크로 모터, 피니언, 감속용 기어 기구, 모터 샤프트

Description

마이크로 기어드 모터 {MICRO GEARED MOTOR}

본 발명은, 각종 소형 장치류의 구동원으로서 이용되는 마이크로 기어드(geared) 모터에 관한 것이다.

종래, 휴대 전화에 내장되는 무음(無音) 호출용 진동 발생 장치의 구동원 등으로서, 외경이 수mm정도의 마이크로 모터가 이용되고 있다. 또한, 이런 종류의 마이크로 모터는, 의료기기(예를 들면, 내시경 선단부(先端部)의 렌즈 구동기구나 태(胎) 내 진단치료 장치의 구동 기구)를 비롯하여 여러가지 최첨단 장치류의 구동원으로서, 향후 그 이용 분야가 더욱 더 확대될 것으로 생각된다.

　 일반적으로, 마이크로 모터를 의료기기 등과 같은 소형 장치류에 사용하는 경우, 감속용 기어 기구를 갖는 기어 헤드를 결합한 마이크로 기어드 모터로서 장치내에 조립되어 들어있다 (예를 들면, 특허 문헌 1).　

(특허 문헌 1)

일본국 공개특허공보 제 2001－119894 호　　　

이 마이크로 기어드 모터는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 모터 샤프트 (22)에 피니언 (23)이 고착된 모터부 (20: 마이크로 모터)와, 이 모터부 (20)에 상기 피니 언 (23)을 통해 구동 연결되는 감속용 기어 헤드부 (21)로 이루어 진다. 상기 피니언 (23)은 그 부착구멍(중심 관통구멍) 내에 모터 샤프트 (22)를 압입 또는 접착하는 것에 의해, 모터 샤프트 (22)에 고정되어 있다. 또한, 상기 감속용 기어 헤드부 (21)에는 감속용 기어 기구부 (24)가 내장되어 그 초단(初段) 치차 (26)에 상기 피니언 (23)이 서로 맞물려져, 모터 샤프트 (22)의 구동력이 감속용 기어 기구부 (24)를 거쳐 출력축 (25)으로 전해진다.

마이크로 기어드 모터가 적용되는 장치에 따라서는, 감속용 기어 기구부에 의한 큰 감속비가 필요로 되는 경우가 있다. 감속비는 감속용 기어 기구부측의 치차(齒車)의 치수(齒數)와 모터 샤프트측의 피니언의 치수와의 관계로 정해져, 감속용 기어 기구부측의 치차의 치수가 클 수록, 또한, 피니언의 치수가 적을 수록 큰 감속비를 얻을 수 있다. 그러나, 감속용 기어 헤드부에는 크기(지름)의 제약이 있기 때문에, 감속용 기어 기구부측의 치차의 치수를 늘리는데에는 한도가 있으며, 한편에 있어, 전술한 바와 같은 구조의 종래의 마이크로 기어드 모터에서는, 피니언 지름을 작게 하여 치수를 줄이는 데도 한도가 있다. 이 때문에 종래의 마이크로 기어드 모터에서는, 충분히 큰 감속비를 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다.

또한, 종래의 마이크로 모터에서는, 피니언이 접착이나 압입등의 방법으로 모터 샤프트에 접합되지만, 이 접합 구조에는 다음과 같은 문제가 있다.

(a) 극소 사이즈의 피니언과 모터 샤프트를 접착 또는 압입하기 위한 공정이 필요하기 때문에, 코스트 업(cost-up)이 될 뿐만 아니라, 반복 운전에 의해 접합부가 느슨해져, 피니언 슬립등의 문제가 생기는 일이 있다.

(b) 극소 사이즈의 것 끼리의 접합이기 때문에, 모터 샤프트와 피니언의 동축도(同軸度)의 확보가 어렵고, 이 때문에 피니언과 감속용 기어 기구부측의 초단 치차와의 양호한 맞물림 상태를 얻을 수 없는 것이 있어, 모터의 고장이나 소음 발생의 원인이 되기 쉽다.

따라서 본 발명의 목적은, 이상과 같은 종래 기술의 과제를 해결하여, 감속용 기어 기구에 의해 큰 감속비를 얻을 수 있음과 아울러, 모터 샤프트와 피니언과의 높은 동축도를 확보할 수 있고, 더욱이, 피니언 슬립등의 문제를 일으키는 일이 없는 마이크로 모터용의 모터 샤프트를 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 그러한 모터 샤프트를 이용한 마이크로 모터 및 마이크로 기어드 모터를 제공하는 것에 있다.

앞에서 언급한 바와 같이, 마이크로 기어드 모터에 있어, 큰 감속비를 얻고자 하는 경우, 모터의 크기(지름)의 제약상, 감속용 기어 기구부측의 치차 지름을 크게 하여 치수를 늘릴 수는 없다. 거기서, 본 발명자들은, 모터 샤프트의 피니언을 소경화(小經化)한다고 하는 관점으로부터 상세한 검토를 행하고, 그 때에, 피니언을 부착구멍을 통해 모터 샤프트에 접합한다고 하는 종래의 구조에 대하여, 모터 샤프트 그 자체에 피니언을 일체적으로 형성(성형)하는 것에 의해, 피니언을 극한적으로 소경화하는, 즉 샤프트 지름 이하의 피니언 지름으로 한다고 하는 착상을 얻었다. 그러나, 종래의 당업자(當業者)의 기술 상식으로는, 그처럼 피니언을 모터 샤프트지름 이하까지 소경화한 것 같은 구조에서는 피니언의 강도가 현저하게 부족하여, 모터 토오크(torque)에 의한 부하에 의해 피니언(=모터 샤프트의 일부)의 파손이나 피로 파괴가 빈발하는 것이 예상되었다. 그런데 , 본 발명자들이 실제로 동(同) 구조의 마이크로 기어드 모터를 시험적으로 제작하여, 반복 운전 시험을 실시한 바, 당초의 예상과는 완전히 반대로, 피니언에 강도 부족에 의한 파손 이나 반복 하중의 부하에 의한 피로 파괴가 생기는 일은 없어, 실용상 전혀 문제가 없이 충분한 내구성을 얻을 수 있는 것이 판명되었다. 이것은, 마이크로 기어드 모터는 일반의 모터나 다른 소형 모터에 비교하여 모터 토오크가 상당히 작기(통상, 수μNm~수백μNm정도) 때문에, 샤프트 지름 이하의 피니언이라 해도 모터 토오크에 대해서 충분한 강도를 갖기 때문이라고 생각되며, 종래 전혀 알려지지 않았던 마이크로 기어드 모터의 특유의 성능이다.

본 발명은, 이상과 같은 착상과 지식에 기초하여 되어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 샤프트의 선단측에, 샤프트의 외경 이하의 외경을 가지는 피니언이 일체적으로 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 모터용의 모터 샤프트.

(2) 상기(1)의 모터 샤프트에 있어서, 샤프트의 외경이 1 mm이하인 것을 특징으로 하는 마이크로 모터용의 모터 샤프트.

(3) 상기(1) 또는(2)의 모터 샤프트를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 모터.

(4) 상기(3)의 마이크로 모터에 있어서, 외경이 4 mm이하인 것을 특징으로 하는 마이크로 모터.

(5) 상기(3) 또는(4)의 마이크로 모터로 구성되는 모터부와, 이 모터부에, 모터 샤프트에 형성된 피니언을 통해 구동 연결되는 감속용 기어 헤드부를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 기어드 모터.

(6) 상기(5)의 마이크로 기어드 모터에 있어서, 모터부의 모터 샤프트에 형 성된 피니언과 감속용 기어 헤드부의 제1단(段) 째의 감속용 치차와의 사이의 감속비가 5이상이 되도록, 상기 피니언과 감속용 치차의 치수가 설정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 기어드 모터.

(7) 상기(5) 또는(6)의 마이크로 기어드 모터에 있어서, 모터부가 브러시리스 모터이며, 감속용 기어 헤드부의 감속용 기어 기구가 유성치차 감속기구인 것을 특징으로 하는 마이크로 기어드 모터.

(8) 상기(5)~(7)의 어느 하나의 마이크로 기어드 모터에 있어서, 외경이 4 mm이하인 것을 특징으로 하는 마이크로 기어드 모터.

본 발명에 따른 마이크로 모터용의 모터 샤프트와, 이것을 적용한 마이크로 모터 및, 마이크로 기어드 모터에 의하면, 피니언을 충분히 소경화할 수 있기 때문에, 감속용 기어 기구에 의해 큰 감속비를 얻을 수 있다. 또한, 모터 샤프트 그 자체에 피니언을 일체적으로 형성하기 때문에, 모터 샤프트와 피니언과의 높은 동축도를 확보할 수 있고, 이 때문에 고장이 적어 수명이 길며, 또한, 소음 발생이 적은 모터로 할 수 있으며, 더우기 피니언 슬립등의 문제를 일으키는 일도 없다. 또한, 접착이나 압입등에 의한 피니언의 접합 공정도 불필요하기 때문에, 제조 공수(工數)와 제조 코스트를 삭감할 수 있는 이점도 있다.

도 1~ 도 3은 본 발명의 모터 샤프트 및, 이것이 적용된 마이크로 기어드 모터의 일 실시형태를 나타내는 것으로, 도 1은 종단면도, 도 2는 도 1중의 II－II선 에 따른 단면도이다.

도면에 있어, 부호(1)은 마이크로 모터로 구성되는 모터부, 부호(2)는 이 모터부 (1)에 모터 샤프트의 피니언을 통해 구동 연결되는 감속용 기어 헤드부이다. 또한, 이 실시형태에 있어, 감속용 기어 헤드부 (2)를 두지 않는 것이, 본 발명의 마이크로 모터이다.

본 발명에 있어서, 상기 모터부 (1)를 구성하는 마이크로 모터의 기구는 임의여서, 예를 들면, 코아리스(coreless) 모터, 브러시리스(brushless) 모터 등으로 할 수 있지만, 본 실시형태에서는 브러시리스 모터에 의해 구성되어 있다. 즉, 모터부 (1)는, 하우징 (3A)과, 모터 샤프트용의 베어링 (4a, 4b)과, 이 베어링 (4a, 4b)에 회전 자유롭게 유지되는 모터 샤프트 (5)와, 베어링 (4a, 4b)간의 모터 샤프트 부분에 외장 고정되는 로터 마그넷 (6)과, 이 로터 마그넷 (6)에 대향하여 하우징 (3A)의 내측에 고정되는 고정자 코일 (7)등으로부터 구성되어 있으며, 이러한 구조 자체는 종래의 마이크로 기어드 모터와 같다.

상기 모터 샤프트 (5)의 선단부에는, 모터 샤프트 (5)의 외경 이하의 외경을 갖는 피니언 (8)이 일체적으로 형성(성형)되어 있다.

통상, 피니언 (8)은 모터 샤프트 (5) 그 자체에 호브(hob) 가공 등의 절삭 가공이나 전조(轉造) 가공 등을 행함으로써 형성(성형)하지만, 그 이외의 방법, 예를 들면, 피니언이 형성된 부재를 모터 샤프트의 선단부에 접합하는 등, 적당한 방법으로 피니언 (8)을 형성할 수도 있다.

피니언 (8)을 모터 샤프트 (5) 그 자체를 절삭 가공이나 전조 가공하여 형성 하는 경우에는, 스텐레스강철등의 환봉으로부터 된 샤프트용 부재를 센터리스(centerless) 가공하여 외경 치수 정밀도와 표면거칠기를 조정한 후, 그 선단부에 절삭 가공 또는 전조 가공 등에 의해 피니언 (8)을 형성(성형)하고, 이어서, 열처리, 배럴(barrel) 연마 처리 등의 공정을 거쳐 피니언 (8)을 갖춘 모터 샤프트 (5)로 완성할 수 있다.

피니언 (8)은 모터 샤프트 (5)의 선단측에 형성되지만, 그 위치는 모터 샤프트 (5)의 최선단부가 아니어도 좋다.

도 3은, 피니언 (8)의 구조를 보다 상세하게 나타낸 사시도이다. 이 피니언 (8)은, 모터 샤프트 (5)의 선단을 호브 가공해 형성된 것으로, 도면중 P로 나타낸 범위가 피니언 (8)을 구성하고 있다.

앞에서 말한 바와 같이, 일반적인 사이즈의 모터나 소형 모터중에서도 마이크로 모터보다 큰 모터는 상응하는 모터 토오크를 갖기 때문에, 피니언 지름을 너무 작게 하면 톱니 부분에 큰 응력이 가해지기 때문에, 파손이나 피로 파괴가 용이하게 생겨 버린다. 이것에 대해서, 일반적으로 외경이 4 mm이하인 마이크로 모터의 경우에는, 모터 토오크가 수μNm~수백μNm로 상당히 작아, 가령 로크(lock) 하여 최대부하를 가한 경우에도, 피니언의 톱니 부분이 파손하거나, 반복 하중에 의해 피로 파괴하는 일은 없다는 것을 알았다. 덧붙여서, 본 발명자들이 시험제작한 직경 2 mm의 마이크로 모터의 모터 토오크는 7μNm 이었다.

　　　본 발명에 있어서, 피니언 (8)의 외경을 모터 샤프트 (5)의 외경 이하로 하는 것은, 말할 필요도 없이 피니언을 소경화하여 큰 감속비를 얻기 위함 이지만, 모터 샤프트 (5) 그 자체를 절삭 가공이나 전조 가공 등으로 가공하여 피니언 (8)을 형성하는 경우에 있어서, 피니언 (8)의 외경을 모터 샤프트 (5)의 외경 이하로 하는 것은, 이하와 같은 메리트도 있다. 즉, 피니언 외경을 모터 샤프트 외경보다 크게 하는 경우에, 피니언 형성전의 블랭크 상태의 모터 샤프트는, 직경이 다른 단(段)이 진 봉형상으로 되고, 특히 절삭 가공된 모터 샤프트의 외경 정밀도와 표면거칠기를 고정밀도로 마무리 가공하는 것이 어려워진다. 이것에 대해서, 피니언 외경이 모터 샤프트 외경보다 작으면, 피니언 형성전의 블랭크 상태의 모터 샤프트는 단이 지지 않은 환봉형상으로 되어, 센터리스 가공을 행하는 것으로, 모터 샤프트의 외경 정밀도와 표면거칠기가 고정밀도로 마무리 가공된다. 그리고, 이와 같이 센터리스 가공된 모터 샤프트에 피니언을 가공하고, 열처리, 배럴 연마 처리 등의 공정을 거쳐 피니언 (8)을 가지는 모터 샤프트 (5)를 완성할 수 있다.

또한, 모터 샤프트에 일체 형성되는 피니언의 외경이 모터 샤프트의 외경보다 큰 경우에는, 모터 샤프트를 베어링(기어 헤드측)에 전방쪽으로부터 통하게 한 상태에서 로터 마그넷을 접착제 등에 의해서 고착하지 않으면 안되지만, 베어링이 개재되고 있는 상태라면, 모터 샤프트와 로터 마그넷을 고정밀의 위치 관계로 고착하는 것이 어렵고, 또한 접착제가 넘쳐나온 경우, 닦아내는 공정도 어려워진다. 이 점, 피니언 (8)의 외경이 모터 샤프트 (5)의 외경보다 작은 본 발명의 경우에는, 미리 모터 샤프트 (5)와 로터 마그넷 (6)을 고착할 수 있기 때문에, 고정밀도로 용이한 조립이 가능해진다.

본 발명의 모터 자체의 외경이나 모터 샤프트 (5)의 외경에 특별한 제약은 없지만, 앞에서 말한 바와 같이, 마이크로 모터의 모터 샤프트 (5)에 샤프트 지름 이하의 피니언 (8)을 일체로 형성했을 경우에서도, 피니언이 강도의 면에서 충분한 내구성을 얻을 수 있는 것은, 모터 토오크가 상당히 작은 마이크로 모터에의 특유의 성질이며, 이러한 관점에서는, 특별히 모터의 외경이 4 mm이하, 모터 샤프트 (5)의 외경이 1 mm이하의 마이크로 모터(마이크로 기어드 모터)가 매우 적합하다.

또한, 피니언 (8)의 외경은 모터 샤프트 (5)의 외경보다 작으면 좋으며, 피니언 외경의 하한은 특히 한정하지 않지만, 일반적으로는 강도적인 면으로부터 모터 샤프트 (5)의 외경의 적어도 80%정도의 외경을 가지는 것이 바람직하다.

상기 감속용 기어 헤드부 (2)는, 하우징 (3B)과, 상기 피니언 (8)이 구동 연결되는 감속용 기어 기구부 (9)와, 그 출력측(선단측)에 배치되고 베어링 (11)에 회전 자유롭게 지지되는 출력축 (10)을 구비하고 있고, 상기 피니언 (8)은, 감속용 기어 기구부 (9)의 초단(初段) 치차에 서로 맞물려져 있다.

이 감속용 기어 헤드부 (2)가 갖는 감속용 기어 기구부 (9)의 구조는 임의이어서, 여러 가지의 기구의 것을 적용할 수 있지만, 본 실시 형태에서는 유성치차 감속기구에 의해 구성되어 있다. 이 유성치차 감속기구의 기본 구조는, 도 4에 나타낸 바와 같은 종래의 기구와 같고, 본 실시형태에서는 모터부 (1) 측으로부터 출력축 (10) 쪽으로 향해 차례로 배치되는 2조(組)의 독립한 캐리어 유닛 (12a, 12b)과, 출력축 (10)의 기단부(基端部)에 설치된 1조의 캐리어 유닛 (12c)을 구비하고 있다.

상기 각 캐리어 유닛 (12a, 12b)은, 모터부측의 면에 유성치차 지지용의 3개 의 축부 (130)가 원주방향으로 120도 등분(等分)의 배치 관계로 돌출 설치 되는 것과 아울러, 반(反) 모터부측의 면의 중앙부에 태양치차 (15)가 돌출 설치된 판(板) 형상의 캐리어 (13)와, 상기 각 축부 (130)에 회전 자유롭게 지지된 유성치차 (14: 원주방향으로 120 도 등분의 배치 관계의 유성치차)를 구비하고 있다.

또한, 캐리어 유닛 (12c)은, 모터부측의 면에 유성치차 지지용의 3개의 축부 (130c)가 원주방향으로 120 도 등분의 배치 관계로 돌출 설치 되는 것과 아울러, 반(反) 모터부측의 면의 중앙부에 출력축 (10)이 기단부에 고정(또는 기단부에 일체적으로 형성)된 판 형상의 캐리어 (13c)와, 상기 각 축부 (130c)에 회전 자유롭게 지지된 유성치차 (14c)를 구비하고 있다.

또한, 감속용 기어 기구부 (9)가 배치된 하우징 (3B)의 내면에는 내부 치차 (16)가 설치되어 있다.

이상과 같은 감속용 기어 기구부 (9)는, 캐리어 유닛 (12a~12c)의 유성치차 (14, 14c)는 내부 치차 (16)에 서로 맞물림과 아울러, 인접하는 캐리어 유닛 (12a~12c)의 사이에는, 모터부측의 캐리어 유닛 (12a, 12b)의 태양 치차 (15)가 반 모터부측의 캐리어 유닛 (12b, 12c)의 각 3개의 유성치차 (14, 14c)에 서로 맞물려지며, 더우기 제1단 째의 캐리어 유닛 (12a)의 3개의 유성치차 (14)에 모터 샤프트 (5)의 피니언 (8)이 서로 맞물려져 있다. 이것에 의해 피니언 (8)의 회전은, 3개의 캐리어 유닛 (12a~12c)을 거쳐 출력축 (10)으로 전해지지만, 그 과정에 있어,

감속비=(Z3/Z1＋1)

Z1：피니언 (8)또는 태양 치차 (15)의 치수

Z3：내부 치차 (16)의 치수

로 나타나는 감속비로 회전수가 순차적으로 감속되어, 최종적으로 출력축 (10)으로 부터 출력된다.

여기서, 피니언 (8)과, 감속용 기어 기구부 (9)의 제1단째의 감속용 치차 (본 실시 형태에서는 내부 치차 (16))와의 사이의 감속비가 5이상이 되도록, 상기 피니언 (8)과, 감속용 치차의 치수를 설정하는 것이 바람직하다. 이 감속비 5이상은, 도 4에 나타낸 바의 종래의 마이크로 기어드 모터에서는 달성 불가능한 감속비이지만, 본 발명에 의해 용이하게 달성할 수 있다.

도 4에 나타낸 바의 종래예의 마이크로 기어드 모터와, 도 1에 나타낸 바의 본 발명예의 마이크로 기어드 모터에 대해서, 얻을 수 있는 감속비의 일례를 이하에 나타낸다.

·종래예

　피니언(=태양 치차)의 치수Z1：14개

　유성치차의 치수Z2：15개

　내부 치차의 치수Z3：46개

　감속비=(Z3/Z1＋1)≒4.286(4.286：1)

·본 발명예

　피니언(=태양 치차)의 치수Z1：8개

　유성치차의 치수Z2：18개

　내부 치차의 치수Z3：46개

　감속비=(Z3/Z1＋1)≒6.75(6.75：1)

이상과 같이, 본 발명예에서는 종래예에 비교하여 감속비를 50%이상이나 높일 수 있다.

도 1은　본 발명의 마이크로 기어드 모터의 일 실시형태를 나타내는 종단면도.

도 2 는 도 1중의 II－II선에 따른 단면도.

도 3 은 도 1의 실시형태에 있어, 모터 샤프트 선단에 형성된 피니언의 구조를 보다 구체적으로 나타낸 사시도.

도 4 는 종래의 마이크로 기어드 모터의 일례를 나타내는 종단면도.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

1:　모터부

2:　감속용 기어 헤드부

3A, 3B:　하우징

4a, 4b:　베어링

5:　모터 샤프트

6:　로터 마그넷

7:　고정자 코일

8:　피니언

9:　감속용 기어 기구부

10:　출력축

11:　베어링

12a~12c:　캐리어 유닛

13, 13c:　캐리어

130, 130c:　축부

14, 14c:　유성치차

15:　태양치차

16:　내부 치차

Claims (3)

1. 외경이 0mm를 초과하며 1mm 이하인 샤프트의 선단측(先端側)에, 샤프트의 외경 이하의 외경을 갖는 피니언이 일체적으로 형성된 마이크로 모터용의 모터 샤프트를 갖는 마이크로 모터로 구성되는 모터부와, 이 모터부에, 상기 모터 샤프트에 형성된 피니언을 통해 구동 연결되는 감속용 기어 헤드부를 구비하고,

   상기 모터부의 모터 샤프트에 형성된 피니언과 감속용 기어 헤드부의 제1 단(段) 째의 감속용 치차(齒車)와의 사이의 감속비가 5이상 10이하가 되도록, 상기 피니언과 감속용 치차의 치수(齒數)가 설정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 기어드(geared) 모터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 모터부가 브러시리스 모터이며, 감속용 기어 헤드부의 감속용 기어 기구가 유성치차 감속기구인 것을 특징으로 하는 마이크로 기어드 모터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 마이크로 모터의 외경이 0mm를 초과하며 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 마이크로 기어드 모터.

Images