KR101002977B1 - 하중보상장치를 구비한 액추에이터 및 이를 이용한 모션 플랫폼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하중보상장치를 구비한 액추에이터에 관한 것이다. 본 발명의 구성은 제 1 실린더, 제 1 피스톤 및 구동부를 포함하는 액추에이터에 있어서, 제 1 실린더의 길이방향을 따라 나란하게 구비되는 제 2 실린더; 제 2 실린더 내부로 삽입되어 제 1 피스톤을 따라 왕복운동을 하고 제 1 피스톤의 길이방향과 나란하게 구비되는 제 2 피스톤; 제 1 실린더 및 제 2 실린더 사이에 구비되고, 제 1 피스톤 및 제 2 피스톤 사이에 상호 간을 고정하는 복수 개의 고정부재; 제 2 피스톤이 삽입되는 제 2 실린더의 일단과 대향되는 타단에 구비되고, 내부에 가스 및 오일이 분리되어 충진됨으로써 액추에이터에 전달된 하중을 보상하는 혼합형 하중보상부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 종래의 가스만을 충진하여 사용한 경우보다 주변 온도 변화에 따른 가스 부피의 변화 정도가 감소함으로써 가스에 의한 반발력을 일정하게 유지할 수 있어 안정적인 액추에이터의 구동을 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 적은 양의 고압 가스와 오일이 분리되어 충진됨으로써 액추에이터 사용중 제 2 피스톤에 구비된 패킹의 마모 및 파손 등에도 직접적인 가스의 유출이 방지되어 가스에 의한 반발력의 감소를 줄이는 효과가 있다.

액추에이터, 엑츄에이터, 중력보상, 충격방지, 모션 플랫폼, 하중, 완충

Description

하중보상장치를 구비한 액추에이터 및 이를 이용한 모션 플랫폼{Actuator with Accumulator and Motion Platform Using the Same}

본 발명은 하중보상장치를 구비한 액추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 및 오일이 분리되어 충진된 혼합형 하중보상부를 사용하여, 주변 온도 변화에 따른 가스 부피 변화로 인한 가스 반발력의 변동을 방지함으로써 모션 플랫폼의 안정적인 구동 및 내구성 증대를 확보할 수 있는 액추에이터에 관한 것이다. 또한, 가스 및 오일이 분리되어 충진된 혼합형 하중보상부의 가스 반발력을 조절함으로써 액추에이터에 가해지는 하중에 대한 부하를 줄일 수 있고 저출력, 소형의 구동부로도 큰 하중을 운용할 수 있으며, 액추에이터에 구비된 제 1 피스톤의 상방향 운동의 가속성능을 증대할 수 있는 액추에이터에 관한 것이다.

도 1은 종래의 모션 플랫폼에 액추에이터가 장착된 모습을 나타낸 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 사용되는 모션 플랫폼이란, 비행기, 선박 등의 모의 훈련용 시뮬레이터나 가상현실 게임 등을 위해 실제와 유사한 운동감을 전달되도록 3축 내지 6축으로 구성되는 복수 개의 액추에이터(10)를 구비한다. 이러한 복수 개의 액추에이터(10)는 모션 플랫폼의 상판(50)과 하판(60) 사이에 구 비되어 각기 다른 왕복운동을 통해 모션 플랫폼의 상판(50)을 사방으로 경사지게 하거나 회전할 수 있도록 작동한다.

따라서, 모션 플랫폼의 상판(50)에 구비되는 대형 시뮬레이터장치는 이러한 3개 내지 6개의 액추에이터(10)만으로 지지가 되어 고정되고 사방으로 경사 또는 회전하게 된다. 이로 인해 각 액추에이터(10)에는 큰 부하가 걸리게 되어 원활한 왕복운동이 저해되며, 상판(50)에 구비된 대형 시뮬레이터장치를 원하는 만큼 정확하고 신속하게 구동시킬 수 없었다. 따라서, 정확한 운동량이 필요한 실험용 시뮬레이터장치 등에 적용할 때, 많은 오차를 수반하는 문제가 있었다. 또한, 과도한 하중에 따른 부하로 인해 액추에이터의 고장이나 파손이 발생하는 문제가 있었다.

이에 따라, 본 출원인이 선출원하여 등록받은 대한민국 등록특허 제 0783038 호에 의한 중력보상장치를 구비한 액추에이터를 통해 이러한 종래의 문제를 해결할 수 있었다. 하지만, 본 출원인의 등록특허에 따른 중력보상장치에는 가스만이 사용되어 주변 온도 변화에 따른 가스 부피의 변화로 인해 반발력을 일정하게 유지할 수 없는 문제점이 발생하였다. 또한, 중력보상장치에 가스만을 충진하여 장기간 구동함에 따른 가스의 자연 유출로 인한 가스 반발력 감소 및 액추에이터 내구성 저하는 피할 수 없는 문제점이었다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 온도 변화에 따른 부피 변화가 적은 유체(오일)와 함께 가스를 충진한 혼합형 하중보상부가 사용된다. 이는 종래의 가스만을 충진한 경우보다 내구성 향상은 물론 가스에 의한 반발력을 일정하게 유지함으로써 안정적인 구동을 확보할 수 있는 하중보상장치를 구비한 액추에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 적은 양의 고압 가스와 오일이 분리되어 충진됨으로써 액추에이터 사용중 제 2 피스톤에 구비된 패킹의 마모 및 파손 등에도 직접적인 가스의 유출이 방지되어 가스에 의한 반발력의 감소를 줄일 수 있는 하중보상장치를 구비한 액추에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단은, 제 1 실린더(11), 제 1 피스톤(12) 및 구동부(13)를 포함하는 액추에이터(10)에 있어서, 제 1 실린더(11)의 길이방향을 따라 나란하게 구비되는 제 2 실린더(21); 제 2 실린더(21) 내부로 삽입되어 제 1 피스톤(12)을 따라 왕복운동을 하고 제 1 피스톤(12)의 길이방향과 나란하게 구비되는 제 2 피스톤(22); 제 1 실린더(11) 및 제 2 실린더(21) 사이에 구비되고, 제 1 피스톤(12) 및 제 2 피스톤(22) 사이에 상호 간을 고정하는 복수 개의 고정부재(30); 제 2 피스톤(22)이 삽입되는 제 2 실린더(21)의 일단과 대향되는 타단에 구비되고, 내부에 가스(45) 및 오일(44)이 분리되어 충진됨으로써 액추에이터(10)에 전달된 하중을 보상하는 혼합형 하중보상부(40);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 가스 및 오일 혼합형 하중보상부(40)는, 제 2 피스톤(22)이 삽입되는 제 2 실린더(21)의 일단과 대향되는 타단에 구비되는 유압라인(41); 및 유압라인(41)의 제 2 실린더(21)와 연결되는 일단과 대향되는 타단에 형성되고 내부에 왕복운동을 하는 제 3 피스톤(42)을 구비한 압력탱크(43);를 포함하여 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 제 2 실린더(21) 내부 공간, 유압라인(41) 내부 공간 및 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 압력탱크(43)의 내부 공간 중 제 2 실린더(21)와 인접한 내부 공간에는 유압라인(41)에 의해 유동 되는 오일(44)이 구비되고, 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 압력탱크(43)의 내부 공간 중 타측 내부 공간에는 가스(45)가 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 혼합형 하중보상부(40)가 구비되는 제 2 실린더(21)의 종단면에는 제 2 실린더(21)의 내경보다 작게 형성된 관통홀(48)이 형성되고, 제 2 실린더(21)의 내경보다 작게 형성된 관통홀(48)이 형성되고, 가스 및 오일 혼합형 하중보상부(40)는, 관통홀(48)에 대응하는 홀이 형성되고, 내부에 왕복운동을 하는 제 3 피스톤(42)을 구비한 압력탱크(43);로 이루어져, 제 2 실린더(21) 내부 공간 및 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 압력탱크(43)의 내부 공간 중 제 2 실린더(21)와 인접한 내부 공간에는 관통홀(48)에 의해 유동 되는 오일(44)이 구비되고, 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 압력탱크(43)의 내부 공간 중 타측 내부 공간에는 가스(45)가 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 제 2 실린더(21)와 인접하는 압력탱크(43)의 일단과 대향되는 타단에 형성되어 가스(45)를 유입 또는 유출할 수 있는 가스밸브(46)를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 압력탱크(43) 일측에 가스(45)의 압력을 모니터링 하기 위한 압력게이지(47) 또는 압력센서가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 구동부(13)는 일반모터, 스텝모터, 서보모터 또는 리니어 서보모터인 것을 특징으로 한다.

또한, 지면과 접하는 하판(60); 하판(60)과 이격되고 시뮬레이터 장치가 상면에 안착 되는 상판(50); 및 하판(60)과 상판(50) 사이에 구비되어 상판(50)에 동력을 제공하는 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1);를 포함한 모션 플랫폼인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 모션 플랫폼 상판에 구비되는 시뮬레이터장치의 하중에 대하여 반발력을 항상 유지하기 위해서 액추에이터의 제 1 피스톤을 제 1 실린더로부터 최대한 노출시킨 후 가스밸브를 통해 가스를 충진한다. 이로 인해 왕복운동을 하는 액추에이터의 제 1 피스톤에는 항상 하중에 대한 가스의 반발력이 작용하게 되어 하중의 일정부분이 보상됨으로써 구동부가 부담할 수 있는 하중이 증대되는 효과가 있다. 또한, 압력탱크 내부에 충진되는 가스의 양 또는 압력을 조절하여 하중에 대한 가스 반발력을 증대시킴으로써 액추에이터에 구비된 구동부에 의한 제 1 피스톤의 상방향 운동의 가속성능을 증대시킬 수 있는 효과가 있다. 그리고 저출력, 소형의 구동부로도 모션 플랫폼 상판에 구비되는 큰 하중의 시뮬레이터장치를 구동시킬 수 있어 액추에이터의 운용효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 온도 변화에 따른 부피 변화가 적은 유체(오일)와 가스를 함께 충진한 혼합형 하중보상부가 사용된다. 이는 종래의 가스만을 충진한 하중보상부 보다 주변 온도 변화에 따른 가스 부피의 변화 정도를 감소시켜 가스에 의한 반발력을 일정하게 유지함으로써 안정적인 액추에이터의 구동을 확보할 수 있으며 더불어 액추에이터의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 적은 양의 고압 가스와 오일이 분리되어 충진됨으로써 액추에이터 사용중 제 2 피스톤에 구비된 패킹의 마모 및 파손 등에도 직접적인 가스의 유출이 방지되어 가스에 의한 반발력의 감소를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터는 구동 또는 정지중인 모션 플랫폼 상판에 구비된 대형 시뮬레이터장치로 인해 발생한 하중을 혼합형 하중보상부 내부에 구비된 가스의 반발력을 이용하여 제 1 피스톤에 가해지는 하중에 대한 부하를 줄일 수 있다. 따라서, 액추에이터의 리드 스크류와 제 1 피스톤 내주면에 구비된 나사산의 마모 내지 파손을 방지하여 액추에이터의 고장을 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터는 모션 플랫폼 상판에 구비된 대형 시뮬레이터장치에 의한 하중 이외에 모션 플랫폼 사용자, 동작과 정지과정 중 발생하는 미세 충격 또는 비상 정지 등에 의해 발생할 수 있는 충격을 완충시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 압력게이지 또는 압력센서를 통해 가스의 압력을 모니터링함으로써 쉽게 유지 및 보수를 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

< 액추에이터의 구성 >

(제 1 실시예)

도 2a는 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터의 단면도이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)는 액추에이터(10), 제 2 실린더(21), 제 2 피스톤(22), 고정부재(30) 및 혼합형 하중보상부(40)로 구성된다.

여기서 액추에이터(10)는 제 1 실린더(11), 제 1 피스톤(12) 및 구동부(13)로 구성된다. 이때, 제 1 실린더(11)는 제 1 피스톤(12)의 안정적인 왕복운동을 유도하는 역할을 수행하는 것으로, 관형상으로 형성되어 일측에 구동부(13)가 구비되고 타측은 개방되어 있다. 이러한 실린더(11)는 금속재질 또는 합성수지재로 형성 할 수 있다. 하지만, 모션 플랫폼과 같이 큰 하중이 작용하는 경우에는 금속재질로 형성하는 것이 좋다.

또한, 제 1 피스톤(12)은 구동부(13)에 의해 전달된 동력을 모션 플랫폼 상판(50)에 구비된 대형 시뮬레이터장치에 전달하여 모션 플랫폼을 구동시키는 역할을 수행하는 것으로, 제 1 실린더(11)의 개방된 일측에 삽입되어 구동부(13)와 연결된다. 여기서 제 1 피스톤(12)은 제 1 실린더(11)에 삽입되어 왕복할 수 있도록 제 1 실린더(11)의 내경보다 작은 외경의 관형상으로 형성한다. 그리고 제 1 피스톤(12)의 길이는 구동부(13)에 의해 제 1 실린더(11) 내부로 최대한 삽입되더라도 제 1 실린더(11) 외부로 돌출될 수 있도록 형성한다. 이때, 제 1 피스톤(12)은 금속재질 또는 합성수지재로 형성할 수 있다. 하지만, 모션 플랫폼과 같이 큰 하중이 작용하는 경우에는 금속재질로 형성하는 것이 좋다.

또한, 구동부(13)는 회전력을 발생시켜 제 1 피스톤(12)을 왕복운동 하도록 동력을 제공하는 역할을 수행하는 것으로, 제 1 피스톤(12)이 삽입되는 제 1 실린더(11)의 일측과 대향되는 타측에 구비된다. 이러한 구동부(13)는 제 1 피스톤(12)이 왕복운동 할 수 있도록 구동부(13)의 회전축에 리드 스크류(14)가 연결된다. 그리고 리드 스크류(14)에 대응하는 나사산을 관형상의 제 1 피스톤(12) 내주면에 구비하여 구동부(13)의 회전축과 연결된 리드 스크류(14)의 회전에 따라 제 1 피스톤(12)이 왕복운동 하도록 한다. 이때, 구동부(13)는 일반모터, 스텝모터, 서보모터 또는 리니어 서보모터를 사용할 수 있다. 특히 리니어 서보모터를 사용하는 경우, 본 발명의 제 1 실시예에서의 리드 스크류(14) 방식과 동일한 효과를 가져올 수 있다. 한편, 액추에이터(10)의 구동부(13)는 전술한 전기식 모터를 이용하여 리드 스크류(14) 방식으로 제 1 피스톤(12)을 왕복운동시키는 방식 이외에 유압, 공기압 또는 전자기력을 이용한 구동부(13)가 사용될 수 있다.

제 2 실린더(21)는 제 2 피스톤(22)의 안정적인 왕복운동을 유도하는 역할을 수행하는 것으로, 제 1 실린더(11)의 길이방향을 따라 나란하게 구비된다. 여기서, 제 2 실린더(21)는 관형상으로 형성되어 일측에 유압라인(41)이 구비되고 타측은 개방되어 있다. 이때, 제 2 실린더(21)의 길이는 제 1 실린더(22)의 길이와 같거나 작게 형성하여 나란하게 구비되도록 한다. 이러한 실린더(11)는 금속재질 또는 합성수지재로 형성할 수 있다. 하지만, 모션 플랫폼과 같이 큰 하중이 작용하는 경우에는 금속재질로 형성하는 것이 좋다.

제 2 피스톤(22)은 제 1 피스톤(12)에 직접적으로 전달되는 모션 플랫폼 상판(50)에 구비된 대형 시뮬레이터장치의 하중을 분산하여 혼합형 하중보상부(40)에 전달하는 역할을 수행한다. 이러한 제 2 피스톤(22)은 제 2 실린더(21)의 개방된 일측에 삽입되어 제 1 피스톤(12)의 길이방향과 나란하게 구비된다. 여기서 제 2 피스톤(22)은 제 2 실린더(21)에 삽입되어 왕복할 수 있도록 제 2 실린더(21)의 내경보다 작은 외경의 관형상으로 형성한다. 이때, 제 2 실린더(21)의 양단은 막힌 구조로 형성한다. 그리고 제 2 실린더(21) 내부로 삽입되는 제 2 피스톤(22)의 외주면을 따라 일측에 패킹 처리함으로써 제 2 실린더(21) 내부에 구비되는 오일(44)이 유출되지 않도록 할 수 있다. 한편, 제 2 피스톤(22)의 길이는 제 2 피스톤(22)과 나란하게 구비되어 연결된 제 1 피스톤(12)의 왕복운동에도 제 2 실린더(21) 외 부로 빠지지 않을 정도의 길이로 형성한다. 이때, 제 2 피스톤(22)은 금속재질 또는 합성수지재로 형성할 수 있다. 하지만, 모션 플랫폼과 같이 큰 하중이 작용하는 경우에는 금속재질로 형성하는 것이 좋다.

고정부재(30)는 제 1 실린더(11) 및 제 2 실린더(21) 사이에 구비되고, 제 1 피스톤(12) 및 제 2 피스톤(22) 사이 상호 간을 고정한다. 이로 인해 제 2 피스톤(22)은 액추에이터(10)의 제 1 피스톤(12)의 왕복운동에 따라 안정적으로 왕복운동을 수행하게 된다. 이러한 고정부재(30)는 2개 이상 구비될 수 있다. 하지만, 제 1 실린더(11) 및 제 2 실린더(21) 사이에는 각각의 양단을 고정하도록 고정부재(30)가 구비되는 것이 좋다. 그리고 제 1 피스톤(12) 및 제 2 피스톤(22) 사이에 구비되는 고정부재(30)는 제 1 피스톤(12)의 왕복운동에 지장을 주지 않는 범위 내에서 모션 플랫폼 상판(50)과 인접하는 제 1 피스톤(12) 및 제 2 피스톤(22)의 일단에 1개 내지 2개를 구비하는 것이 좋다.

혼합형 하중보상부(40)는 모션 플랫폼 상판(50)에 구비된 대형 시뮬레이터장치의 하중이 제 1 피스톤(11)에 직접적으로 전달됨으로써 발생하는 액추에이터(10)의 고장 내지 파손을 방지하는 역할을 수행하는 것으로, 제 2 피스톤(22)이 삽입되는 제 2 실린더(21)의 일단과 대향되는 타단에 구비된다. 여기서 하중보상 작용을 수행하기 위해 혼합형 하중보상부(40) 내부에는 가스(45) 및 오일(44)이 분리되어 충진된다.

본 발명에 따른 혼합형 하중보상부(40)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 유압라인(41), 제 3 피스톤(42) 및 압력탱크(43)로 구성된다. 이때, 유압라인(41)은 제 2 피스톤(22)에 의해 분산된 모션 플랫폼 상판(50)에 구비된 대형 시뮬레이터장치의 하중을 압력탱크(43)로 전달하는 것으로, 제 2 피스톤(22)이 삽입되는 제 2 실린더(21)의 일단과 대향되는 타단에 구비된다. 이러한 유압라인(41)은 관형상으로 유연하고 내압을 견딜 수 있는 합성수지재 또는 망으로 형성된 금속재질로 형성할 수 있다.

또한, 압력탱크(43)는 제 2 피스톤에 의해 분산된 모션 플랫폼 상판(50)에 구비된 대형 시뮬레이터장치의 하중을 압력탱크(43) 내부에 구비된 가스(45)에 전달되도록 함으로써 하중보상 작용을 수행한다. 이러한 압력탱크(43)는 유압라인(41)의 제 2 실린더(21)와 연결되는 일단과 대향되는 타단에 형성되고 내부에 왕복운동을 하는 제 3 피스톤(42)을 구비한다. 여기서, 가스(45)와 오일(44)은 제 2 실린더(21), 유압라인(41), 제 3 피스톤(42) 및 압력탱크(43)가 이루는 내부 공간에 각각 구비되고 제 3 피스톤(42)을 기준으로 분리되어 상호 혼입되는 것이 방지된다. 이때, 제 2 실린더(21) 내부 공간, 유압라인(41) 내부 공간 및 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 압력탱크(43)의 내부 공간 중 제 2 실린더(21)와 인접한 내부 공간에는 유압라인(41)에 의해 유동 되는 오일(44)이 구비되고, 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 압력탱크(43)의 내부 공간 중 타측 내부 공간에는 가스(45)가 구비된다. 여기서 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)에 사용되는 오일(44)은 유압기기용 오일이 사용된다. 그리고 가스(45)는 상온 상태에서 큰 압력이 가해지더라도 액화되기 어려운 질소 기체를 사용한다.

압력탱크(43)의 형상은 필요에 따라 다양한 형상으로 제작할 수 있다. 하지 만, 내부 압력에 잘 견딜 수 있도록 관 형상으로 형성하되 관의 양측 단이 반구형을 이루도록 하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 혼합형 하중보상부(40)에는 가스(45)의 유입 또는 유출을 위한 가스밸브(46)가 구비된다. 이로 인해 압력탱크(43) 내부의 가스(45) 압력을 조절할 수 있어 액추에이터(10)의 내구성을 유지할 수 있다. 이러한 가스밸브(46)는 제 2 실린더(21)와 인접하는 압력탱크(43)의 일단과 대향되는 타단에 형성된다.

그리고 압력게이지(47) 또는 압력센서는 압력탱크(43) 내부에 구비된 가스(45)의 압력을 모니터링하기 위한 것으로, 압력탱크(43) 일측에 구비함으로써 가스(45) 유출을 쉽게 확인할 수 있다.

오일 주입구(49)는 제 2 실린더(21)와 제 2 피스톤(22) 사이의 패킹의 마모나 파손으로 인한 오일(44)의 유출 또는 증발 등을 대비한 것으로, 오일(44)이 구비되는 압력탱크(43) 또는 제 2 실린더(21) 일측에 형성된다.

이렇게 액추에이터(10)에 제 2 실린더(21), 제 2 피스톤(22), 고정부재(30) 및 혼합형 하중보상부(40)가 구비됨으로써 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)가 완성된다.

(제 2 실시예)

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터의 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 혼합형 하중보상부(40)와 결합하는 제 2 실린더(21)의 종단면에는 제 2 실린더(21)의 내경보다 작게 형성된 관통홀(48)이 형 성된다. 그리고 가스 및 오일 혼합형 하중보상부(40)는 관통홀(48)에 대응하는 홀이 형성되고, 내부에 왕복운동을 하는 제 3 피스톤(42)을 구비한 압력탱크(43)로 이루어진다.

이때, 제 2 실린더(21) 내부 공간 및 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 압력탱크(43)의 내부 공간 중 제 2 실린더(21)와 인접한 내부 공간에는 관통홀(48)에 의해 유동 되는 오일(44)이 구비된다. 그리고 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 압력탱크(43)의 내부 공간 중 타측 내부 공간에는 가스(45)가 구비된다.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 압력탱크(43)는 전술한 제 1 실시예에 기재된 내용과 같다. 다만, 압력탱크(43)의 형상과 관련하여 제 2 실린더(21)와 접하는 일단에 대향되는 종단을 반구형으로 형성하여 내부 압력에 잘 견딜 수 있도록 하는 것이 좋다.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 혼합형 하중보상부(40)에는 제 1 실시예와 마찬가지로 가스(45)의 유입 또는 유출을 위한 가스밸브(46)가 구비된다. 이로 인해 압력탱크(43) 내부의 가스(45) 압력을 조절할 수 있어 액추에이터(10)의 내구성을 유지할 수 있다. 이러한 가스밸브(46)는 제 2 실린더(21)와 인접하는 압력탱크(43)의 일단과 대향되는 타단에 형성된다.

그리고 압력게이지(47) 또는 압력센서는 압력탱크(43) 내부에 구비된 가스(45)의 압력을 모니터링하기 위한 것으로, 본 발명의 제 2 실시예에서도 압력탱크(43) 일측에 구비함으로써 가스(45) 유출을 쉽게 확인할 수 있다.

오일 주입구(49)는 제 2 실린더(21)와 제 2 피스톤(22) 사이의 패킹의 마모 나 파손으로 인한 오일(44)의 유출 또는 증발 등을 대비한 것으로, 오일(44)이 구비되는 압력탱크(43) 또는 제 2 실린더(21) 일측에 형성된다.

< 작용 >

본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 구성은 유압라인(41)과 관통홀(48)의 차이일 뿐이므로 동일한 작용예로 설명한다.

도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터의 단면도이다. 도 2b는 도 2a의 제 1 피스톤이 구동부에 의해 제 1 실린더 내부로 소정길이 삽입된 작동상태 단면도이다. 도 4는 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터의 작동상태 사시도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 목적을 달성하기 위해서는 액추에이터(10)의 제 1 피스톤(12)을 제 1 실린더(11)로부터 최대한 노출시킨 후 가스밸브(46)를 통해 가스(45)를 충진한다. 그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제 1 피스톤(12)이 제 1 실린더(11) 내부로 소정길이 삽입되도록 구동부(13)를 작동하게 되면 제 1 피스톤(12)과 연결된 제 2 피스톤(22)이 밀리게 되어 오일(44)을 밀게 된다. 이때, 압력탱크(43) 내부의 제 3 피스톤(42)도 밀리게 되어 가스(45)를 압축한다.

이렇게 제 1 피스톤(12)을 제 1 실린더(11)로부터 최대한 노출시키고 가스밸브(46)를 통해 가스(45)를 충진한 후 제 1 피스톤(12)을 소정길이 삽입되도록 구동부(13)를 작동시키는 것은 가스(45)의 반발력(B)을 증대시키는 방향의 구동이므로 구동부(13)에 부담으로 작용할 수 있다. 그러나 이러한 구동부(13)의 부담은 이하에서 기술할 모션 플랫폼 상판(50)에 구비되는 시뮬레이터장치의 하중(A)이 제 1 피스톤(12)에 실리는 경우, 감쇄될 뿐만 아니라 오히려 가스(45)의 반발력(B)으로 인해 하중(A)의 일정부분이 보상됨으로써 구동부(13)가 부담할 수 있는 하중(A)이 증대되는 순기능이 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)는 모션 플랫폼 상판(50)과 하판(60) 사이에 3개 내지 6개가 구비되어 상판(50)을 구동한다. 하지만, 필요에 따라서는 일부에만 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)를 사용할 수 있다. 이러한 상판(50)에는 수백Kg 내지 수ton에 달하는 시뮬레이터장치가 놓인다. 이때, 수백Kg 내지 수ton에 달하는 시뮬레이터장치에 의한 중력은 지면에 수직하게 항상 작용하여 복수 개의 액추에이터(10)에 구비된 제 1 피스톤(12)에 전달된다.

본 발명의 실시예에서와 같이 구동부(13)가 리드 스크류(14)를 이용하여 제 1 피스톤(12)을 구동시키는 경우에 중력보상장치를 구비하지 않고 있다면, 정지 중이거나 구동 중인 리드 스크류(14)와 피스톤 내주면에 구비된 나사산은 하중(A)에 대한 큰 부하를 부담하게 된다. 이러한 하중(A)에 대한 부하는 리드 스크류(14)와 제 1 피스톤(12) 내주면에 구비된 나사산의 마모 내지 파손을 유발시키게 되어 액추에이터의 고장을 발생시킬 수 있다.

이에 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)는 제 1 피스톤(12)에 전달된 하중(A)을 제 1 피스톤(12)과 나란하게 구비된 제 2 피스톤(22)에 도 전달하게 된다. 그리고 제 2 피스톤(22)에 전달된 하중(A)은 제 2 실린더(21), 유압라인(41) 및 제 3 피스톤(42)에 걸친 내부 공간에 구비된 오일(44)에 전달된다. 이렇게 오일(44)에 전달된 하중(A)은 오일(44)이 구비되는 공간 이외의 공간인 제 3 피스톤(42)과 압력탱크(43) 일부에 걸친 내부 공간에 구비된 가스(45)에 전달된다. 이때, 전달된 하중(A)에 의해 가스(45)는 기체의 성질상 압축됨과 동시에 하중(A)에 대한 반발력(B)을 발생시킨다.

이러한 하중(A)에 대한 반발력(B)을 항상 유지하기 위해서 전술한 바와 같이 액추에이터(10)의 제 1 피스톤(12)을 제 1 실린더(11)로부터 최대한 노출시킨 후 가스밸브(46)를 통해 가스(45)를 충진한다. 이로 인해 왕복운동을 하는 액추에이터(10)의 제 1 피스톤(12)에는 항상 하중(A)에 대한 가스(45)의 반발력(B)이 작용하게 되는 결과, 하중(A)의 일정부분이 보상됨으로써 구동부(13)가 부담할 수 있는 하중(A)이 증대된다. 한편, 제 1 피스톤(12)을 최대로 노출시킨 후 충진되는 가스(45)의 양 또는 압력을 조절하여 하중(A)에 대한 가스 반발력(B)을 증대시킴으로써, 액추에이터(10)의 구동부(13)에 의한 제 1 피스톤(12)의 상방향 운동의 가속성능이 증대될 수 있다. 그리고 저출력, 소형의 구동부(13)로도 모션 플랫폼 상판(50)에 구비되는 큰 하중의 시뮬레이션장치를 구동시킬 수 있다. 이때, 제 1 피스톤(12)을 최대로 노출시킨 후 충진되는 가스(45)의 양 또는 압력은 모션 플랫폼 상판(50)에 구비되는 시뮬레이션장치의 무게에 따라 다양하게 변경할 수 있다.

본 출원인이 선출원하여 등록된 등록특허 제 0783038 호에 의한 발명과 달리 본 발명에서는 온도 변화에 따른 부피 변화가 적은 오일(44)과 가스(45)를 함께 충 진한 혼합형 하중보상부(40)가 사용된다. 이로 인해 등록특허 제 0783038 호와 같이 종래의 가스(45)만을 충진하여 사용한 경우보다 주변 온도 변화에 따른 가스(45) 부피의 변화 정도가 감소한다. 따라서 가스(45)에 의한 반발력(B)을 일정하게 유지할 수 있게 됨에 따라 액추에이터(10)의 내구성 및 구동의 안정성이 향상된다. 또한, 가스만을 사용하였을 때보다 적은 양의 가스를 사용하게 됨으로써 가스의 자연 유출로 인한 반발력(B) 감소를 줄일 수 있다. 그리고 압력탱크(43) 내부에 구비된 제 3 피스톤(42)에 의해 오일(44)과 가스(45)가 서로 분리됨으로써 가스(45)가 오일(44)에 혼입되지 않는다.

따라서, 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)는 모션 플랫폼 상판(50)에 구비된 대형 시뮬레이터장치의 구동 또는 정지 중에 제 1 피스톤(12)에 전달된 하중(A)을 혼합형 하중보상부(40) 내부에 구비된 가스(45)의 반발력(B)을 이용하여 제 1 피스톤(12)에 가해지는 하중(A)을 일정부분 보상하여 부하를 줄일 수 있다. 따라서, 액추에이터(10)의 리드 스크류(14)와 제 1 피스톤(12) 내주면에 구비된 나사산의 마모 내지 파손을 방지하여 액추에이터(10)의 고장을 현저히 줄일 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)는 모션 플랫폼 상판(50)에 구비된 대형 시뮬레이터장치에 의한 하중(A) 이외에 모션 플랫폼 사용자, 동작과 정지과정 중 발생하는 미세 충격 또는 비상 정지 등에 의해 발생할 수 있는 충격을 완충시킬 수 있다.

또한, 압력게이지(47) 또는 압력센서를 통해 적당한 가스(45)의 압력을 체크 함으로써 쉽게 유지 및 보수를 할 수 있다.

< 모션 플랫폼의 구성 >

본 발명에 따른 모션 플랫폼은 상판(50), 하판(60) 및 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)로 구성된다. 여기서 모션 플랫폼은 일반적으로 차량, 선박 비행기 등의 훈련용 시뮬레이터장치 등을 위해 실제와 같은 유사한 운동감을 전달하는 장치이다.

여기서 하판(60)은 모션 플랫폼을 지지하여 시뮬레이터장치가 안정적으로 구동될 수 있도록 구비되는 것으로서, 지면과 접하도록 위치한다. 이때, 하판(60)의 형상은 다각형 또는 원형의 판형상으로 형성할 수 있다.

상판(50)은 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)에 의해 발생된 동력을 시뮬레이터장치에 전달하는 것으로, 하판(60)과 이격되어 구비되고 상판(50)의 상면에는 시뮬레이터장치가 고정된다. 이러한 상판(50)은 시뮬레이터장치에 따라 다양한 형상으로 제작될 수 있다.

하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)는 상판(50)에 동력을 제공하여 상판(50)을 사방으로 경사지게 하거나 회전시키는 동력을 제공하는 것으로서, 하판(60)과 상판(50) 사이에 복수 개가 구비되어 상,하판(50,60)을 서로 연결한다. 이때, 하판(60)과 상판(50) 사이에 구비되는 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)는 3개 내지 6개인 것이 좋다. 이러한 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)의 구체적인 구성은 전술한 제 1 실시예 및 제 2 실시예에서 기재한 내용과 같다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 권리범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구범위의 의미 및 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 종래의 모션 플랫폼에 액추에이터가 장착된 모습을 나타낸 사시도이다.

도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터의 단면도이다.

도 2b는 도 2a의 제 1 피스톤이 구동부에 의해 제 1 실린더 내부로 소정길이 삽입된 작동상태 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터의 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터의 작동상태 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 하중보상장치를 구비한 액추에이터

10: 액추에이터 11: 제 1 실린더

12: 제 1 피스톤 13: 구동부

14: 리드 스크류 21: 제 2 실린더

22: 제 2 피스톤 30: 고정부재

40: 혼합형 하중보상부 41: 유압라인

42: 제 3 피스톤 43: 압력탱크

44: 오일 45: 가스

46: 가스밸브 47: 압력게이지

48: 관통홀 49: 오일 주입구

50: 상판 60: 하판

Claims (8)

1. 제 1 실린더(11), 제 1 피스톤(12) 및 구동부(13)를 포함하는 액추에이터(10)에 있어서,

   상기 제 1 실린더(11)의 길이방향을 따라 나란하게 구비되는 제 2 실린더(21);

   상기 제 2 실린더(21) 내부로 삽입되어 제 1 피스톤(12)을 따라 왕복운동을 하고 상기 제 1 피스톤(12)의 길이방향과 나란하게 구비되는 제 2 피스톤(22);

   상기 제 1 실린더(11) 및 상기 제 2 실린더(21) 사이에 구비되고, 상기 제 1 피스톤(12) 및 상기 제 2 피스톤(22) 사이에 상호 간을 고정하는 복수 개의 고정부재(30);

   상기 제 2 피스톤(22)이 삽입되는 상기 제 2 실린더(21)의 일단과 대향되는 타단에 구비되고, 내부에 가스(45) 및 오일(44)이 분리되어 충진됨으로써 상기 액추에이터(10)에 전달된 하중을 보상하는 혼합형 하중보상부(40)를 구비하되, 상기 가스 및 오일 혼합형 하중보상부(40)는,

   상기 제 2 피스톤(22)이 삽입되는 상기 제 2 실린더(21)의 일단과 대향되는 타단에 구비되는 유압라인(41); 및

   상기 유압라인(41)의 상기 제 2 실린더(21)와 연결되는 일단과 대향되는 타단에 형성되고 내부에 왕복운동을 하는 제 3 피스톤(42)을 구비한 압력탱크(43);를 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 하중보상장치를 구비한 액추에이터.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 실린더(21) 내부 공간, 상기 유압라인(41) 내부 공간 및 상기 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 상기 압력탱크(43)의 내부 공간 중 상기 제 2 실린더(21)와 인접한 내부 공간에는 상기 유압라인(41)에 의해 유동 되는 상기 오일(44)이 구비되고, 상기 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 상기 압력탱크(43)의 내부 공간 중 타측 내부 공간에는 상기 가스(45)가 구비된 것을 특징으로 하는 하중보상장치를 구비한 액추에이터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 혼합형 하중보상부(40)가 구비되는 상기 제 2 실린더(21)의 종단면에는 상기 제 2 실린더(21)의 내경보다 작게 형성된 관통홀(48)이 형성되고,

   상기 가스 및 오일 혼합형 하중보상부(40)는,

   상기 관통홀(48)에 대응하는 홀이 형성되고, 내부에 왕복운동을 하는 제 3 피스톤(42)을 구비한 압력탱크(43);로 이루어져,

   상기 제 2 실린더(21) 내부 공간 및 상기 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 상기 압력탱크(43)의 내부 공간 중 상기 제 2 실린더(21)와 인접한 내부 공간에는 상기 관통홀(48)에 의해 유동 되는 상기 오일(44)이 구비되고, 상기 제 3 피스톤(42)에 의해 구획되는 상기 압력탱크(43)의 내부 공간 중 타측 내부 공간에는 상기 가스(45)가 구비된 것을 특징으로 하는 하중보상장치를 구비한 액추에이터.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 제 2 실린더(21)와 인접하는 상기 압력탱크(43)의 일단과 대향되는 타단에 형성되어 상기 가스(45)를 유입 또는 유출할 수 있는 가스밸브(46)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 하중보상장치를 구비한 액추에이터.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 압력탱크(43) 일측에 상기 가스(45)의 압력을 모니터링 하기 위한 압력게이지(47) 또는 압력센서가 더 구비된 것을 특징으로 하는 하중보상장치를 구비한 액추에이터.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동부(13)는 일반모터, 스텝모터, 서보모터 또는 리니어 서보모터인 것을 특징으로 하는 하중보상장치를 구비한 액추에이터.
8. 제 1 항에 따른 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1)를 이용한 모션 플랫폼에 있어서,

   지면과 접하는 하판(60);

   상기 하판(60)과 이격되고 시뮬레이터 장치가 상면에 안착 되는 상판(50); 및

   상기 하판(60)과 상기 상판(50) 사이에 구비되어 상기 상판(50)에 동력을 제공하는 상기 하중보상장치를 구비한 액추에이터(1);를 포함한 것을 특징으로 하는 모션 플랫폼.

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