KR101311265B1 - 재봉기의 실 장력조절장치 - Google Patents

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KR101311265B1
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히로유키 카제하레
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쥬키 가부시키가이샤
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    • D05—SEWING; EMBROIDERING; TUFTING
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    • D05B47/00—Needle-thread tensioning devices; Applications of tensometers
    • D05B47/04—Automatically-controlled tensioning devices
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    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01K—ANIMAL HUSBANDRY; CARE OF BIRDS, FISHES, INSECTS; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
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    • A01K91/18—Trotlines, longlines; Accessories therefor, e.g. baiting devices, lifters or setting reelers

Abstract

액추에이터의 구동시에 작용하는 마찰을 경감하여, 액추에이터의 재현성, 응답성, 내구성을 보다 향상시킨다.
실을 끼우는 한 쌍의 실 장력조절 디스크(31, 32)와, 한쪽의 실 장력조절 디스크(31)를 다른쪽의 실 장력조절 디스크(32)에 대하여 접촉 및 분리시키도록 구동시키는 구동기구(4, 33)와, 구동기구(4, 33)를 구동시키는 구동원(5)을 구비하고, 구동원(5)은, 축선방향을 따라 이동하는 가동자 축(51)과 상기 가동자 축(51)에 설치된 영구자석(52 ~ 55)을 갖는 가동자(6)와, 영구자석(52 ~ 55)의 둘레에 소정 간격을 두고 감긴 코일(57 ~ 60)이 설치된 고정자(7)와, 가동자 축(51)의 양단부를 지지하는 축받이(40, 8)를 구비하는 재봉기(M)의 실 장력조절장치(1)로서, 가동자 축(51)에서의 구동원(5)측의 단부를 지지하는 축받이를 판 스프링에 의해 형성된 판 스프링 축받이(8)로 하였다.

Description

재봉기의 실 장력조절장치{THREAD TENSION ADJUSTING APPARATUS OF SEWING MACHINE}
도 1은 재봉기에 실 장력조절장치를 구비한 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 실 장력조절장치의 일부를 단면에서 바라본 단면 사시도이다.
도 3은 실 장력조절기의 분해 사시도이다.
도 4는 보이스 코일 모터의 분해 사시도이다.
도 5의 (a)는 영구자석의 형상, (b) 및 (c)는 영구자석의 착자방향을 나타낸 도면이다.
도 6은 코일의 감김방향을 나타낸 도면이다.
도 7은 실 장력조절장치의 단면도이다.
도 8의 (a)는 실 장력조절장치의 정면도이고, (b)는 (a)에 나타낸 X부의 확대도로서, 보이스 코일 모터의 단면도이며, (c)는 판 스프링 축받이가 부착된 상태에서의 정면도이다.
도 9는 판 스프링 축받이 주변의 분해 사시도이다.
도 10은 판 스프링 축받이의 구조 해석 모델도이다.
도 11은 슬라이딩 축받이의 구조 해석 모델도이다.
도 12는 판 스프링의 스프링 정수(定數)를 계산하기 위한 해석 모델도이다.
도 13은 도 12의 구조를 간단하게 모델화한 도면이다.
도 14의 (a)는 솔레노이드의 측면도이고, (b)는 솔레노이드의 정면도이며, (c)는 솔레노이드의 단면도이다.
도 15는 솔레노이드에 통전된 전류를 증감한 경우의 전류에 대한 추력의 특성 그래프이다.
도 16은 솔레노이드를 사용하였을 때의 실 장력의 히스테리시스 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17은 솔레노이드를 사용하였을 때의 실 장력의 히스테리시스 특성을 나타낸 그래프이다.
도 18의 (a)는 다른 예에서의 보이스 코일 모터의 단면도이고, (b)는 다른 예에서의 판 스프링 축받이가 부착된 상태에서의 정면도이다.
도 19는 판 스프링 축받이의 설명도이다.
도 20은 종래의 실 장력조절장치를 나타낸 개요도이다.
도 21은 종래의 실 장력조절장치를 나타낸 개요도이다.
도 22는 종래의 실 장력조절장치를 나타낸 개요도이다.
도 23은 종래의 실 장력조절장치를 나타낸 개요도이다.
도 24는 종래의 실 장력조절장치를 나타낸 개요도이다.
도 25는 종래의 실 장력조절장치를 나타낸 개요도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 실 장력조절장치 3 : 실 장력조절기
4 : 구동로드(구동기구) 5 : 보이스 코일 모터(구동원)
6 : 가동자 7 : 고정자
8 : 판 스프링 축받이 31 : 실 장력조절 디스크
32 : 실 장력조절 디스크 33 : 디스크 누르개(구동기구)
37 : 실 장력조절봉 40 : 축받이
51 : 가동자 축 52 : 영구자석
53 : 영구자석 54 : 영구자석
55 : 영구자석 57 : 코일
58 : 코일 59 : 코일
60 : 코일 81 : 외부둘레부
82 : 고정부 83 : 연결부
101 : 외부둘레부 102 : 굴곡부
103 : 고정부
본 발명은, 실 장력을 자동적으로 변경할 수 있도록 하는 재봉기의 실 장력조절장치에 관한 것이다.
종래, 보이스 코일 모터와 같은 구동부재에 의해 실 장력조절 디스크로 실에 부여하는 장력을 조절할 수 있도록 한 실 장력조절장치로서는, 예컨대 특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 도 20, 도 21에 기재한 바와 같은 구성을 갖는 실 장력조절장치가 알려져 있다.
도 20에 나타낸 종래의 실 장력조절장치(110)는, 보이스 코일 모터(111), 가동하는 실 장력조절 디스크(112; 이하, 가동(可動) 디스크(112)라 함), 고정된 실 장력조절 디스크(113; 이하, 고정 디스크(113)라 함) 및 구동로드(114) 등을 구비하고 있다. 구동로드(114)는, 고정 디스크(112)의 개구부(112a)에 슬라이딩 이동 가능하게 삽입통과되는 동시에, 한쪽의 단부(114a)가 보이스 코일 모터(111)의 가동부인 코일헤드(115)에 연결되고, 다른쪽의 단부(114b)가 가동 디스크(112)의 접촉편(112b)과 접촉되어 있다. 이에 따라, 보이스 코일 모터(111)의 가동부인 코일 헤드(115)를 요크(111a)로부터 돌출하도록 이동시키면, 구동로드(114)를 통해 가동 디스크(112)가 고정 디스크(113)측으로 이동하여 가동 디스크(112)는 고정 디스크(113)에 접촉하고, 반대로 보이스 코일 모터(111)의 가동부인 코일 헤드(115)를 요크(111a)내에 수납하도록 이동시키면, 가동 디스크(112)는 보이스 코일 모터(111)측으로 이동하여, 가동 디스크(112)는 고정 디스크(113)로부터 떨어진다. 또한, 도시는 하지 않았으나, 실은 실의 공급원(실 감김장치 등)으로부터 가동 디스크(112)와 고정 디스크(113)의 사이를 지나, 천칭을 통해 바늘대의 재봉바늘로 인도되어 있다. 이에 따라, 실은 가동 디스크(112)와 고정 디스크(113)와의 사이에 소정의 압력으로 끼워유지되어 있다. 또, 실을 끼워유지할 때의 압력은 보이스 코일 모터(111)의 가동부인 코일 헤드(115)의 구동위치를 변경함으로써 가변으로 할 수 있으며, 이로써, 실에 부여하는 장력을 조절할 수 있다.
또한, 상기 종래의 실 장력조절장치에 있어서, 도 21에 나타낸 바와 같이, 실 장력조절장치(120)는, 히스테리시스 브레이크 또는 파우더 브레이크에 의한 전자 브레이크(121)의 제동력을 발생하는 회전자(122)의 축(123)에, 제동력에 의해 실에 대한 장력을 부가할 수 있도록 하는 실패 등의 회전체(124)를 설치하고, 전자 브레이크(121)의 여자(勵磁)코일(125)에 제동력 조정용의 제어전류를 공급하는 제어전류공급회로를 설치하여, 제동력 토크를 가변제어하도록 구성되어 있다.
예컨대, 특허문헌 2에 보이는 종래의 실 장력조절장치에 있어서는, 도 22에 나타낸 바와 같이, 실 장력조절장치(130)는, 한 쌍의 실 장력조절 디스크(131, 132)를 구비하고, 한쪽의 실 장력조절 디스크(131)를 다른쪽의 실 장력조절 디스크(132)에 접촉 및 분리(接離)하여 실 장력조절 디스크 사이의 실을 끼워유지하고 해방할 수 있도록 한다. 또한, 상기 실 장력조절장치(130)는, 한쪽의 실 장력조절 디스크(131)에서의 다른쪽의 실 장력조절 디스크(132)와는 반대의 면에 접촉 가능한 디스크 누르개(134)와, 디스크 누르개(134)에 접합된 구동로드(135)를 통해 디스크 누르개(134)를 한쪽의 실 장력조절 디스크(131)에 대하여 접촉 및 분리방향으로 구동시키는 전자 솔레노이드(136)를 구비하고 있다. 그리고, 전자 솔레노이드(136)에 의해 디스크 누르개(134)를 한쪽의 실 장력조절 디스크(131)에 접촉시킴으로써, 양쪽의 실 장력조절 디스크(131, 132)로 실을 끼워유지하고, 반대로 한쪽의 디스크 누르개(131)를 다른쪽의 실 장력조절 디스크(132)로부터 떨어뜨림으로써 실을 해방시킨다.
도 23은, 도 22에 나타낸 실 장력조절장치(130)를 재봉기 헤드부 프레임(20)에 포함시킨 상태를 나타낸 도면이다. 구동원이 되는 전자 솔레노이드(136)의 치 수의 사정상, 재봉기 헤드부 프레임(20)의 전면(前面) 및 재봉기 헤드부 프레임(20)의 내부에 대한 설치가 불가능하기 때문에, 도 23과 같이 재봉기 헤드부 프레임(20)의 배면에 설치되어 있다.
또한, 도 24에 나타낸 바와 같이, 종래의 실 장력조절장치(140)는, 실에 접촉하여, 실의 반송에 따라 회전하는 실패(141)와, 실패(141) 혹은 그 실패(141)와 일체로 회전하는 전동(轉動)체(142)의 회전에 대한 회전저항을 위한 힘을 발생시키는 피에조 소자(143)를 구비하고 있다.
피에조 소자(143)에 공급되는 전압이 낮은 대기(待機)전압(0V)으로부터 높은 제어전압(100V)으로 올려져, 피에조 소자(143)에 의해 발생되는 힘이 높아지면, 원통형상의 전동체(142)의 구름 저항도 많아지고, 실패(141) 및 샤프트(145)의 회전을 억제하는 회전저항이 커져, 실패(141)의 회전이 어려워진다. 반대로, 피에조 소자(143)에 공급되는 전압이 높은 억제전압으로부터 낮은 대기전압으로 내려져, 피에조 소자(143)에 의해 발생된 힘이 낮아지면, 원통형상의 전동체(142)의 구름 저항이 적어지고, 실패(141) 및 샤프트(145)의 회전을 억제하는 회전저항이 작아져, 실패(141)의 회전이 원활해진다(예컨대, 특허문헌 3 참조).
또한, 도 25에 나타낸 바와 같이, 종래의 실 장력조절장치(150)는, 실 장력조절 디스크(151)에 가해진 압력을 검출하는 압력센서(152)와, 압력센서(152)에 의해 검출된 압력에 근거하여 윗실에 부여되는 장력을 산출하고, 실 장력조절 디스크(151)에 압력을 가하는 압력조정모터(153)를 구비하고 있다. 압력센서(152)로부터의 검출압력(Pd)과 목표압력(Pt)과의 편차(ΔP)를, ΔP = Pd - Pt로 하여 연산하 고, 다음으로 이 편차(ΔP)가 실질적으로 0이 되도록, 편차(ΔP)에 대응한 펄스수의 구동신호를 압력조정모터(153)에 출력하고, 압력조정모터(153)에 의해 조정로드(154)를 펄스수에 상당하는 변위량분만큼, 조정로드(154)의 축선방향을 따라 변위시킨다. 이에 따라, 실 장력조절(155)의 스프링(156)을 조정로드(154)의 변위량만큼 신축시켜, 각 실 장력조절 디스크(151) 사이에서 윗실에 가하는 압력을 목표압력(Pt)에 대응한 크기가 되도록 가변으로 제어한다(예컨대, 특허문헌 4 참조).
이상과 같이, 종래의 실 장력조절장치는, 구동원으로서 보이스 코일 모터, 솔레노이드, 피에조 소자, 히스테리시스 모터, 회전모터 ＋ 나사 등의 각종 액추에이터를 이용하여, 축받이 구조에 슬라이딩 축받이 또는 볼 축받이를 사용한 구성으로, 액추에이터의 추력, 토크 또는 변위에 의해 실 장력조절 디스크에 가하는 하중을 제어함으로써 실에 부여하는 장력을 제어하는 방법이다. 또한, 보이스 코일 모터는, 고정자측에 자석을 배치하고, 가동자측에 코일을 배치한, 코일 가동형의 구조로 한 것이다.
[특허문헌 1] 일본 특허공개공보 H9(1997)-220391호
[특허문헌 2] 일본 특허공개공보 제2003-181182호
[특허문헌 3] 일본 특허공개공보 제2003-236278호
[특허문헌 4] 일본 특허공개공보 H9(1997)-276577호
그러나, 종래의 실 장력조절장치에서는, 직접 작동(直動)하는 액추에이터의 축받이 구조가 슬라이딩 축받이로 구성되어 있기 때문에, 액추에이터 가동자 중량과 축받이 마찰계수에 의한 마찰력에 의해, 액추에이터 추력에 히스테리시스 특성이 발생하여, 추력의 증감시에 실 장력값의 차이가 생긴다.
또한, 축받이부 부품의 가공 정밀도나 마모나 온도에 따라 마찰계수에 편차가 생기고, 그 결과, 히스테리시스 특성에도 편차가 발생하여, 실 장력에 편차가 생겨 재현성이 저하된다.
또한, 장력설정을 작게함에 따라, 상기의 마찰력의 영향이 커지기 때문에, 설정값의 실 장력을 얻을 수 없으며, 편차에 의한 재현성도 낮기 때문에, 실 장력의 저장력화를 실현할 수 없었다.
또한, 실 장력은 액추에이터 추력에서 마찰력(주로 정지마찰력)을 뺀 값이 되기 때문에, 마찰력이 큰 종래 구조에서는 액추에이터에 구동전류를 흘려도 실 장력이 발생하기까지 시간이 걸려, 응답성이 높아지지 않았다.
또한, 축받이 마찰력에 의한 히스테리시스 특성으로부터, 추력의 증감에 따라 실 장력값에 차이가 발생하므로, 실 장력을 낮출 때에 일단 구동전류를 설정값보다 낮춘 후에 올려서 설정값으로 하는 대책을 수행한 경우에는, 실 장력의 차이는 적어지는데, 구동전류의 가변 시퀀스에 여분의 시간이 걸리므로, 고속 실 장력 가변제어는 실현할 수 없다.
또한, 마찰력의 저하를 도모하기 위해, 가동부의 질량을 경감하는 경우에도, 액추에이터의 추력과의 균형에 의해, 가동자 질량을 대폭으로는 줄일 수 없기 때문에, 마찰력을 줄이기에는 한계가 있다.
또한, 마찰에 의한 마모에 의해, 출하초기와의 마찰상태에 차이가 생기기 때문에, 장기간에 걸쳐 동일한 품질상태를 유지하기가 어렵다. 품질변화를 피하기 위해서는, 축받이부의 부품교환 등의 유지보수가 필요하게 되는 등의 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 액추에이터의 구동시에 작용하는 마찰을 경감하여, 액추에이터의 재현성, 응답성, 내구성을 보다 향상시킬 수 있는 재봉기의 실 장력조절장치를 제공하는 데 있다.
이상의 과제를 해결하기 위한, 청구항 1에 기재된 발명은, 실을 끼워유지하는 한 쌍의 실 장력조절 디스크(31, 32)와, 한쪽의 실 장력조절 디스크를 다른쪽의 실 장력조절 디스크에 대하여 접촉 및 분리시키도록 구동시키는 구동기구(4)와, 상기 구동기구를 구동시키는 구동원(5)을 구비하며, 상기 구동원은, 축선방향을 따라 이동하는 가동자 축(51)과 상기 가동자 축에 설치된 영구자석(52 ~ 55)을 갖는 가동자(6)와, 상기 영구자석의 둘레에 소정 간격을 두고 감긴 코일(57 ~ 60)이 설치된 고정자(7)와, 상기 가동자 축의 양단부를 지지하는 축받이(40)를 구비하는 재봉기의 실 장력조절장치로서, 상기 가동자 축에서의 상기 구동원측의 단부를 지지하는 축받이를 판 스프링에 의해 형성된 판 스프링 축받이(8)로 한 것을 특징으로 한다.
여기서, 판 스프링 축받이는, 두께를 거의 무시할 수 있는, 즉 판 스프링 축받이와 가동자 축과의 슬라이딩 이동부의 면적이 작고, 무시할 수 있는 축받이이며, 판 스프링의 탄성에 의해 가동자 축의 이동을 허용하는 축받이이다.
청구항 1에 기재된 발명에 따르면, 구동원에 의해 구동기구를 구동시키면, 구동기구는 한쪽의 실 장력조절 디스크를 다른쪽의 실 장력조절 디스크에 대하여 접촉 및 분리시키도록 구동시킨다. 한쪽의 실 장력조절 디스크를 다른쪽의 실 장력조절 디스크에 접근시켜 접촉시킴으로써, 실을 양쪽의 실 장력조절 디스크로 끼워유지할 수 있으며, 실에 장력을 부여할 수 있다.
여기서, 구동원을 구성하는 가동자 축은, 상기 가동자 축에 설치된 영구자석이 형성하는 자계와 코일에 통전된 전류와의 관계에 의해, 그 축선방향을 따라 이동하는데, 상기 가동자 축은 양단에서 축받이에 의해 지지되어 있기 때문에, 축받이와의 슬라이딩 이동부에서 마찰력이 발생하며, 가동자 축의 원활한 이동을 저해한다.
그러나, 가동자 축에서의 구동원측의 단부를 지지하는 축받이를 판 스프링 축받이로 하였기 때문에, 가동자 축에 작용하는 마찰은 축받이 하나만큼이 되거나 혹은 거의 0 중 어느 하나가 된다.
이에 따라, 액추에이터의 구동시에 작용하는 마찰을 경감할 수 있으며, 액추에이터의 재현성, 응답성, 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.
구체적으로는, 축받이 부품의 가공 정밀도나 온도가 변화되어도, 추력 히스테리시스 특성이 발생하지 않기 때문에, 실 장력에 편차가 없이 재현성이 유지된다. 또한, 정지마찰에 의한 영향이 없어지고, 액추에이터 시동시간의 지연을 해소할 수 있으며, 실 장력조절장치의 응답성을 고속으로 할 수 있다.
또한, 가동범위에 따라, 판 스프링의 반력(反力)에 의한 추력저하의 영향이 생기는데, 미리 스프링 정수를 계측해 둠으로써, 추력저하분을 구동전류의 증가에 따라 정확히 보정함으로써, 액추에이터의 구동전류 지령값대로 실 장력을 제어할 수 있다. 마찰력에 의한 히스테리시스 특성을, 액추에이터 가동부의 질량을 경감하는 등의 대책없이 없앨 수 있으므로, 액추에이터의 구동성능에 영향을 주지 않는다. 또한, 판 스프링 축받이에서는 마모부품이 없어지기 때문에, 장기간에 걸쳐 품질을 유지할 수 있다. 당연히 부품교환 등의 거듭되는 유지보수도 필요없게 된다.
청구항 2에 기재된 발명은, 청구항 1에 기재된 재봉기의 실 장력조절장치로서, 상기 판 스프링 축받이는, 상기 고정자에 부착되는 외부둘레부(81)와, 상기 가동자 축에 고정되는 고정부(82)와, 상기 고정부와 상기 외부둘레부를 연결하는 동시에, 상기 고정부와의 연결부분과 상기 외부둘레부와의 연결부분이 상기 고정부를 사이에 두고 대향하도록 형성된 복수의 연결부(83)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 2에 기재된 발명에 따르면, 연결부는, 고정부와의 연결부분과 외부둘레부와의 연결부분이 상기 고정부를 사이에 두고 대향하도록 형성되고, 상기 연결부가 복수 설치되어 있으므로, 가동자 축의 이동에 의해 판 스프링 축받이가 받는 힘은 연속부에 따른 방향으로 작용한다. 따라서, 가동자 축의 이동시에는 연속부가 휨으로써 고정부만 가동자 축과 함께 변위된다,
이에 따라, 판 스프링에 의해 형성된 축받이라도 축받이로서의 기능을 발휘시킬 수 있다.
청구항 3에 기재된 발명은, 청구항 1에 기재된 재봉기의 실 장력조절장치로서, 상기 판 스프링 축받이는, 상기 고정자에 부착되는 외부둘레부(101)와, 상기 외부둘레부에 연속되며, 상기 가동자 축의 단부측에 굴곡 형성된 굴곡부(102)와, 상기 굴곡부에 연속되며, 상기 가동자 축에 고정되는 고정부(103)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 3에 기재된 발명에 따르면, 굴곡부가 형성되어 있음으로써, 고정부와 외부둘레부에는 단차가 형성되어, 가동자 축이 이동한 경우에는 고정부와 가동자 축과의 연결부분에 집중하중이 작용하는 상태가 된다. 따라서, 고정부는 가동자 축의 이동에 따라 모멘트가 작용하여 가동자 축의 이동방향으로 휜다.
이에 따라, 판 스프링에 의해 형성된 축받이라도 축받이로서의 기능을 발휘시킬 수 있다.
청구항 4에 기재된 발명은, 청구항 2 또는 3에 기재된 재봉기의 실 장력조절장치로서, 상기 영구자석은, 상기 가동자 축의 외주면을 따라 설치되는 동시에, 상기 가동자 축의 직경방향을 따라 착자(着磁)되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 4에 기재된 발명에 따르면, 영구자석의 착자방향을 가동자 축의 직경방향을 따르게 함으로써, 가동자 축의 축방향으로 자기회로의 표면적을 크게 확보할 수 있다. 또한, 영구자석을 길게 함에 따라 자계면적이 커지므로, 영구자석을 가동자 축의 직경방향으로 직경을 확대시킴으로써 발생되는 구동원의 대형화 문제를 해소할 수 있으며, 구동원을 가동자 축의 직경방향으로 크게 하지 않아도 영구자석의 수를 늘림으로써 추력을 증가시킬 수 있다.
청구항 5에 기재된 발명은, 청구항 2 또는 3에 기재된 재봉기의 실 장력조절장치로서, 상기 가동자 축의 이동방향을 따라 복수의 자기회로를 형성한 것을 특징 으로 한다.
청구항 5에 기재된 발명에 따르면, 가동자 축의 이동방향을 따라 복수의 자기회로를 형성함으로써, 구동원이 발휘할 수 있는 추력을 증가시킬 수 있다.
청구항 6에 기재된 발명은, 청구항 2 또는 3에 기재된 재봉기의 실 장력조절장치로서, 상기 구동원과, 상기 한 쌍의 실 장력조절 디스크 및 상기 구동기구를 일체로 구성한 것을 특징으로 한다.
청구항 6에 기재된 발명에 따르면, 구동원과, 한 쌍의 실 장력조절 디스크 및 구동기구를 일체로 구성함으로써, 실 장력조절장치의 소형화를 도모할 수 있다.
청구항 7에 기재된 발명은, 청구항 6에 기재된 재봉기의 실 장력조절장치로서, 상기 가동자 축과 상기 구동기구를 연결하는 실 장력조절봉을 구비하고, 상기 가동자 축에서의 실 장력조절 디스크측의 단부를 지지하는 축받이와 상기 실 장력조절봉을 비(非)자성 재료로 형성한 것을 특징으로 한다.
청구항 7에 기재된 발명에 따르면, 가동자 축에서의 실 장력조절 디스크측의 단부를 지지하는 축받이와 실 장력조절봉을 비자성 재료로 형성함으로써, 가동자 축이 실 장력조절 디스크에 가까워지도록 이동한 경우라도, 코일 또는 영구자석으로부터 실 장력조절측으로 자속이 누출되기 어려워지기 때문에, 코일 또는 영구자석의 자속에 의한 실 장력조절 디스크의 오동작을 방지할 수 있다.
(실시형태)
이하, 도면을 참조하여 재봉기의 실 장력조절장치의 최선의 형태에 대하여 상세히 설명한다.
<재봉기의 실 장력조절장치의 구성>
도 1에 나타낸 바와 같이, 실 장력조절장치(1)는, 재봉기(M)의 재봉기 헤드부 프레임(2)의 턱(jaw)부 근방에 정면으로부터 배면으로 관통하도록 설치되어 있으며, 재봉기 헤드부 프레임(2)의 정면측에서, 실공급원으로부터 인출된 실(T)에 적절한 장력을 부여하여 끼워유지하고, 천칭(21)으로 인도되도록 되어 있다. 천칭(21)은, 재봉기 모터(도시생략)에 연결된 메인축(도시생략)의 회전에 따라 이동하고, 재봉기 헤드부 프레임(2)에 형성된 홈(2a)을 따라 상하로 이동함으로써, 피봉제물에 통과된 실(T)을 세게 조인다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 실 장력조절장치(1)는 실에 장력을 부여하는 실 장력조절기(3)와, 한쪽의 실 장력조절 디스크(31)가 다른쪽의 실 장력조절 디스크(32)에 대하여 접근하도록 디스크 누르개(33)를 구동시키는 구동기구로서의 구동로드(4)와, 실 장력조절기(3)에 구동력을 부여하는 구동원으로서의 보이스 코일 모터(5)를 구비하고 있다. 실 장력조절기(3)는 재봉기 헤드부 프레임(2)의 정면측(봉제시에 사용자가 대면하는 측)에 상기 재봉기 헤드부 프레임(2)으로부터 돌출되어 설치되어 있다. 보이스 코일 모터(5)는, 메인축 등과 함께 재봉기 헤드부 프레임(2)의 내부에 설치되어 있다.
(실 장력조절기)
도 2, 도 3에 나타낸 바와 같이, 실 장력조절기(3)는 실을 끼워유지하는 한 쌍의 실 장력조절 디스크(31, 32)를 구비하고 있다.
실 장력조절 디스크(31, 32)는, 원판형상으로 형성되어, 재봉기 헤드부 프레 임(2)의 정면측에, 한쪽의 실 장력조절 디스크(31)의 이동방향을 따라 나란히 배치되어 있다. 실 장력조절 디스크(31)에서의 실 장력조절 디스크(32)에 대향하는 측의 반대측에는, 실 장력조절 디스크(31)를 실 장력조절 디스크(32)를 향하여 이동시키도록 실 장력조절 디스크(31)를 가압하는 디스크 누르개(33)가 설치되어 있다.
디스크 누르개(33)는, 구동로드(4)와 함께 구동기구로서 기능하며, 한쪽의 실 장력조절 디스크(31)를 다른쪽의 실 장력조절 디스크(32)에 대하여 접촉 및 분리시키도록 이동가능하게 구성되어, 예컨대 3개의 클로부(爪部, 33a)를 갖는 판재이며, 상기 디스크 누르개(33)의 축둘레의 회전을 방지하는 디스크 누르개 홀더(34)에 유지되어 있다. 또한, 디스크 누르개(33)는 구동로드(4)에 나사(35a)에 의해 위치결정을 수행하는 위치결정컬러(35)에 의해 위치결정되어 있다. 디스크 누르개 홀더(34)는 나사(34a)에 의해 구동로드(4)에 부착되어 있다.
디스크 누르개(33) 및 디스크 누르개 홀더(34)는, 보호커버(36)에 의해 덮여 있으며, 보호커버(36)는 나사(36a)에 의해 디스크 누르개 홀더(34)에 부착되어 있다.
구동로드(4)의 일단에는 스테인리스 등의 비자성 재료로 형성된 실 장력조절봉(37)이 실 장력조절봉 받침(38) 및 나사(38a)에 의해 부착되어 있다. 여기서, 실 장력조절봉(37)을 비자성 재료로 형성한 것은, 실 장력조절봉(37)은 주로 철 등의 강자성 재료로 형성되는 실 장력조절 디스크(31, 32)와 보이스 코일 모터(5)와의 사이에 배치되기 때문에, 보이스 코일 모터(5)로부터의 자속이 누출되어 실 장력조절 디스크(31, 32)의 오동작을 일으키지 않도록 하기 위함이다. 실 장력조절 봉(37) 및 실 장력조절봉 받침(38)에는, 실잡이 스프링(39)이 설치되어 있다. 또, 실잡이 스프링(39)은 전체적으로 비틀림 코일 스프링으로 되어 있다. 또한, 실 장력조절봉 받침(38)에는, 스테인리스 등의 비자성 재료로 형성되어, 가동자 축(51)의 실 장력조절기(3)측의 일단을 지지하는 축받이(40)가 나사(38a)에 의해 부착되어 있다. 축받이(40)의 중심에는 가동자 축(51)을 이동가능하게 삽입통과시키는 삽입통과구멍(40a)이 형성되어 있다. 여기서, 축받이(40)를 비자성 재료로 형성한 것은, 축받이(40)는 주로 철 등의 강자성 재료로 형성되는 실 장력조절 디스크(31, 32)와 보이스 코일 모터(5)와의 사이에 배치되기 때문에, 보이스 코일 모터(5)로부터의 자속이 누출되어 실 장력조절 디스크(31, 32)의 오동작을 일으키지 않도록 하기 위함이다.
(구동로드)
구동로드(4)는, 스테인리스 등의 비자성 재료로 형성되어 있다. 구동로드(4)는, 실 장력조절기(3)와 보이스 코일 모터(5)를 연결하고, 보이스 코일 모터(5)의 구동을 실 장력조절기(3)에 전달하여, 실 장력조절 디스크(31)를 구동시키는 것이다.
(보이스 코일 모터)
도 2, 도 4에 나타낸 바와 같이, 보이스 코일 모터(5)는 구동로드(4)가 삽입통과되어, 철 등의 강자성 재료로 형성된 가동자 축(51)을 구비하고 있다. 상기 가동자 축(51)의 축 둘레에는, 접착제 등에 의해 실 장력조절기(3)측으로부터 영구자석(52, 53, 54, 55)이 가동자 축(51)의 축방향에 나란히 고정되어 있다. 영구자 석(52, 53, 54, 55)은, 네오디뮴 자석이나 사마륨 코발트 자석 등의 희토류재료로 구성되며, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 원통형상으로 형성되어 있다.
도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 영구자석(53, 55)은 직경방향을 따라 내주면으로부터 외주면을 향해 착자되어 있다.
도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이, 영구자석(52, 54)은 직경방향을 따라 외주면으로부터 내주면을 향해 착자되어 있다.
이와 같이, 가동자 축(51)과, 상기 가동자 축(51)에 설치된 영구자석(52, 53, 54, 55)을 구비함으로써, 보이스 코일 모터(5)의 가동자(6)가 구성된다.
영구자석(52, 53, 54, 55)의 축 둘레에는, 절연을 위해 수지재료로 형성된 원통형상의 코일 보빈(56)이 영구자석(52, 53, 54, 55)의 외주면과 약간의 공극을 두고 설치되어 있다. 상기 코일 보빈(56)에는, 축 둘레에 실 장력조절기(3)측으로부터 보이스 코일 모터(5)의 구동추진력의 제어전류를 통전하는 코일(57, 58, 59, 60)이 감겨져 있다. 즉, 코일 보빈(56)에 의해 코일(57, 58, 59, 60)은 영구자석(52, 53, 54, 55)에 대하여 소정 간격을 두고 배치되어 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 코일(57, 58, 59, 60)은, 1개의 권선(捲線)으로 구성되며, 코일(57)은 영구자석(52)의 외주면에 대향하는 위치에 감겨지고, 코일(58)은 영구자석(53)의 외주면에 대향하는 위치에 감겨지고, 코일(59)은 영구자석(54)의 외주면에 대향하는 위치에 감겨지고, 코일(60)은 영구자석(55)의 외주면에 대향하는 위치에 감겨져 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 보이스 코일 모터(5)에는 도 4에 나타낸 바와 같은 자속(Φa, Φb, Φc)이 형성되어, 가동자 축(51)의 이동방향을 따라 복수의 자기회로가 형성되어 있다.
또한, 인접하는 코일, 구체적으로는 코일(57)과 코일(58), 코일(58)과 코일(57) 및 코일(59), 코일(59)과 코일(58) 및 코일(60), 코일(60)과 코일(59)의 감김방향은 서로 반대가 되도록 감겨져 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 인접한 코일에 발생하는 도 6의 화살표 방향의 자속은 없어져, 코일의 권선의 인덕턴스에 의한 자속변화가 거의 없어진다. 이에 따라, 인덕턴스의 자속변화에 의한 발생전압이 줄어, 전류응답성이 향상된다.
코일(57, 58, 59, 60)이 감겨진 코일 보빈(56)은, 철 등의 강자성 재료로 형성된 코일 요크(61)내에 설치되어 있다.
이와 같이, 코일 보빈(56)과, 상기 코일 보빈(56)에 감겨진 코일(57, 58, 59, 60)과, 코일 요크(61)를 구비함으로써, 보이스 코일 모터(5)의 고정자(7)가 구성된다.
여기서, 보이스 코일 모터(5)에 의한 실 장력조절기(3)에 대한 영향에 대하여 고찰하기로 한다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 실 장력조절기(3), 디스크 누르개(33), 구동로드(4), 보이스 코일 모터(5)를 일체화함으로써, 구동로드(4)는 짧아지고, 실 장력조절기(3)와 보이스 코일 모터(5)의 거리도 짧아진다. 실 장력조절기(3)와 보이스 코일 모터(5)의 거리가 가까우면, 보이스 코일 모터(5)에서 발생하는 자속이 실 장력조절기(3)에 누출되어 실 장력조절 디스크(31)가 오동작하는 경우가 있다. 그러나, 실 장력조절기(3)와 보이스 코일 모터(5)와의 사이에 위치하는 실 장력조절 봉(37), 축받이(40)가 비자성 재료로 형성되어 있기 때문에, 보이스 코일 모터(5)의 자속이 실 장력조절기(3)쪽으로 누출되기 어려워진다.
(판스프링 축받이)
도 2, 도 8, 도 9에 나타낸 바와 같이, 구동로드(4)는, 실 장력조절기(3)측의 일단이 축받이(40)에 지지되고, 보이스 코일 모터(5)측의 일단이 판 스프링 축받이(8)에 지지되어 있다.
판 스프링 축받이(8)는, 보이스 코일 모터(5)에서의 실 장력조절기(3)로부터 먼 쪽의 단부에서 가동자 축(51)을 지지하고 있다. 가동자 축(51)의 단부에는, 스테인리스 등의 비자성 재료로 형성되고, 중앙에 가동자 축(51)을 삽입통과시키는 삽입통과구멍이 형성된 대략 원형상의 보조 축받이(90)가 삽입통과되어, 코일 보빈(56)에 끼워넣어져 지지되어 있다. 상기 보조 축받이(90)는, 판 스프링 축받이(8)를 보조하는 축받이로서의 기능을 갖는다.
도 8의 (b), 도 9에 나타낸 바와 같이, 가동자 축(51)에는 와셔(91)가 삽입통과되고, 또한 정면에서 봤을 때 C자형상으로 형성된 심링(shim ring, 92)이 삽입통과되어 있다. 또한, 가동자 축(51)에는, 판 스프링 축받이(8)의 중심에 형성된 구멍에 삽입통과되고, 심링(92)과 함께 판 스프링 축받이(8)를 끼워넣는 커버(93)가 삽입통과되어 있다. 그리고, 판 스프링 축받이(8)의 반대측의 면으로부터 와셔(94)가 삽입통과되어, 너트(95)에 의해 체결된다. 가동자 축(51)에서의 너트(95)와의 나사결합 부분에는 나사가 절삭되어 있다.
도 8의 (c), 도 9에 나타낸 바와 같이, 판 스프링 축받이(8)는 스테인리스 등의 비자성 재료에 의해 원통형상으로 형성되고, 고정자(7)를 구성하는 코일 보빈(56)에 부착되는 외부둘레부(81)와, 가동자 축(51)에 고정되는 고정부(82)와, 고정부(82)와 외부둘레부(81)를 연결하는 동시에, 고정부(82)와의 연결부분과 외부둘레부(81)와의 연결부분이 고정부(82)를 사이에 두고 대향하도록 형성된 복수의 연결부(83)를 구비하고 있다. 연결부(83)는 서로 접촉하지 않도록 동일방향으로 만곡형성되어 있으며, 소위 소용돌이형상으로 형성되어 있다.
<작용 등>
(보이스 코일 모터의 판 스프링 축받이의 동작)
보이스 코일 모터(5)의 코일(57, 58, 59, 60)에 통전되면, 직렬로 접속된 보이스 코일 모터(5)의 각 코일 구간에 전류가 흐르고, 가동자 축(51)의 영구자석(52, 53, 54, 55)의 자계와 코일(57, 58, 59, 60)의 전류는, 플레밍의 왼손법칙에 따라, 가동자 축(51)의 축선방향을 따라 추력이 발생하고, 가동자 축(51)에 고정된 판 스프링 축받이(8)의 고정부(82)를 가동자 축(51)의 이동과 함께 동일방향으로 이동시킨다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 판 스프링 축받이(8)의 외부둘레부(81)는, 심링(92)과 커버(93)에 의해 끼워지고, 더욱이 코일 요크(61)에 의해 체결되어 고정되어 있으므로, 판 스프링 축받이(8)의 고정부(82)만 이동한다. 이동시에는 판 스프링 축받이(8)의 연결부(83; 소용돌이형상부분)가 휨으로써, 판 스프링 축받이(8) 중심의 고정부(82)만 변위할 수 있다.
(리니어 액추에이터에서의 축받이와 가동자 축의 마찰력과 추력의 히스테리시스 영향)
도 14는, 보이스 코일 모터 등과 같은 리니어 액추에이터로서 일반적인 솔레노이드의 외관과 구도조이다. 솔레노이드(200)는, 코일요크로서의 역할을 겸한 철 등의 강자성체 재료를 사용한 원통형상의 케이스(201), 단일방향으로 감긴 코일(206), 스트로크를 길게 하기 위해 원뿔형의 홈가공이 중앙부분에 실시된 베이스(203), 베이스(203)의 원뿔형상의 홈에 적합하도록 선단부분이 원뿔가공되고, 다른 단은 솔레노이드(200)의 추력에 의해 이동시키는 대상물을 접속시키기 위해 홈과 핀을 부착시키기 위한 구멍가공이 이루어져, 강자성체 재료에 의해 형성된 플런저(205), 동작시의 충격음을 작게 하고 복귀시의 잔류자기의 영향을 적게하기 위해 부착되는 에어캡 스페이서(207), 플런저(205)의 접촉방지를 위해 부착되어 있는 E링(208) 등을 구비하고 있다. 코일(206)은 코일 보빈(204)에 감겨져 있다.
도 15는 솔레노이드(200)에 통전된 전류를 증감했을 경우의 전류에 대한 추력의 특성 그래프이다. 솔레노이드(200)에 통전되는 전류를 증가하면, 추력은 도 15의 그래프의 상승시의 선을 따라 증가하고, 통전되는 전류를 감소시키면, 추력은 도 15의 그래프의 하강시의 선을 따라 감소하며, 상승시와 하강시에서는, 같은 전류값이라도 추력값에 차이가 있으며, 상승시보다 하강시가 추력이 크고, 통전전류가 커짐에 따라, 상승시와 하강시의 추력차도 커진다.
여기서, 마찰력은 플런저(205)의 이동방향과 반대방향으로 작용하므로, 이동방향이 바뀌면 마찰력의 작용방향도 동시에 바뀐다.
추력의 계측기는, 스프링에 의한 변위량을 계측하는 방법이 주로 사용되고 있으므로, 계측하는 추력이 증가하면 스프링이 줄어들고, 추력이 감소하면 스프링 이 늘어나기 때문에, 추력의 증가와 감소에 의해 측정대상의 가동부분은 적은 변위량이지만 이동한다.
솔레노이드(200)의 통전전류가 증가하고 있을 때에는, 증가방향으로 이동하고 있기 때문에, 증가방향과 반대로 마찰력이 작용하고, 솔레노이드(200)의 추력으로서 계측된 추력은,
(솔레노이드 계측추력) = (솔레노이드 추력) - (마찰력)
이 되어, 마찰이 없을 경우에 비하면 솔레노이드(200)의 계측된 추력은 작아진다.
또한, 상기 식에서는 솔레노이드 추력이 마찰력을 상회하지 않으면, 실추력(實推力)으로서 나타나지 않는 것도 의미하고 있으므로, 동작시에 구동전류가 흐르고 있어도, 실 장력으로서 실추력이 나타나는데 시간차가 생기는 경우도 나타나 있으므로, 고속동작시에 작용하는 마찰력을 작게 하여 실추력이 발생하는 시간차를 작게 하는 것이 중요하게 된다.
다음으로, 솔레노이드의 통전전류가 감소하고 있을 때에는, 추력의 감소에 따라, 이동방향은 반대가 되므로, 마찰력의 방향도 반대로 작용하기 때문에, 솔레노이드의 추력으로서 계측된 추력은,
(솔레노이드 계측추력) = (솔레노이드 추력) + (마찰력)
이 되어,
마찰이 없는 경우에 비하면 솔레노이드(200)의 계측된 추력은 커진다.
이상의 이유에 의해 마찰이 있는 경우에는, 통전되는 전류량이 증가하는 경우와 감소하는 경우에서, 마찰력이 작용하는 방향이 바뀌기 때문에, 계측되는 추력에 차이가 생기므로, 이것이 추력의 히스테리스 특성으로서 나타난다. 솔레노이드(200)에서는, 통전전류가 증가함에 따라, 자기흡인력도 증가하기 때문에, 플런저(205)의 슬라이딩 축받이와의 마찰력도 증가하므로 추력의 히스테리시스량도 커진다.
도 16은 솔레노이드(200)를 사용하였을 때의 실 장력의 히스테리시스 특성이다.
도 15에 설명한 바와 같이, 솔레노이드(200)는 동일한 전류값이라도 전류의 증가시와 감소시에서 추력에 차이가 있으며, 소위 히스테리시스 특성을 갖는다. 이 때문에, 그 히스테리시스 특성을 갖는 솔레노이드(200)를 사용한 실 장력조절장치에서는, 실 장력에도 히스테리시스 특성이 마찬가지로 나타나며, 도 16의 (a)에 그 상태를 나타낸다. 도 16의 (b)는 동일한 통전전류라도 통전전류의 증가시와 감소시에서 실 장력에 차이가 생기는 것을 나타낸다.
도 17은 히스테리시스 특성이 있는 솔레노이드(200)를 사용한 실 장력조절장치로서, 실 장력의 히스테리시스 대책안을 나타낸 도면이다. 동일한 통전전류라도 전류의 증가시와 감소시에서 실 장력에 차이가 생기므로, 실 장력을 감소시킬 때에는, 통전전류를 목표장력(Y2)이 되는 전류값(Q1)보다 적은 전류값(R1)까지 일단 낮추고, 그 후에 전류값(Q1)까지 올리도록 하여 목표장력(Y2)에 가깝도록 한 대책안이다. 동일한 증가방향에서는, 통전되는 전류값이 동일한 경우에는 실 장력의 재현성이 좋은 특성을 이용하고 있다.
(판 스프링 축받이를 사용한 경우의 가동자 축과의 마찰력)
도 10은 판 스프링 축받이의 구조 해석 모델도이다. 실 장력조절장치(1)의 가동자 축(51)의 양단을 지지하는 축받이를, 한쪽은 슬라이딩 축받이(40)로 하고, 또 다른 한쪽은 판 스프링 축받이(8)로 한 모델이다. 도 10에서의 중심은, 주로 보이스 코일 모터(5)의 가동자(6)의 중심을 나타낸다.
도 11은 슬라이딩 축받이의 구조 해석 모델도이다. 실 장력조절장치(1)의 가동자 축(51)의 양단을 지지하는 축받이를, 슬라이딩 축받이(40)로 한 모델이다. 도 11에서의 중심은, 주로 보이스 코일 모터(5)의 가동자(6)의 중심을 나타낸다.
도 12는 판 스프링의 스프링 정수를 계산하기 위한 해석 모델도이다. 판 스프링의, 두께를 H, 폭을 B, 지지길이를 L, 판 스프링에 가하는 하중을 P로 하였다.
도 13은 도 12의 구조를 간단하게 모델화한 도면이다. 판 스프링에 가하는 하중을 P로 하고, 그 때의 구부러짐량을 σ으로 하였다.
도 11은, 실 장력 제어장치의 양측의 축받이에 슬라이딩 축받이를 사용한 모델을 도시하고 있다.
도 11의 관계로부터,
Mg = Fc + Fd
Fc × La = Fd × Lb
스트로크 방향의 하중을 Fh1로 하면,
Fh1 = μ × Fc + μ × Fd = μ × (Fc + Fd) = μ × Mg
가 된다.
이러한 관계식으로부터, 질량(M)이나 마찰계수(μ)를 작게함으로써 스트로크 방향의 하중(Fh1)을 작게 할 수 있음을 알 수 있다. 단, 질량(M)이나 마찰계수(μ)를 작게하는 것에는 한계가 있으므로, 어느 정도 이상의 경감은 곤란하다.
도 10은, 판 스프링 축받이(8)를 가동자 축(51)의 한쪽을 판 스프링 축받이(8)로 지지하고, 또 다른 한쪽은 슬라이딩 축받이(40)를 사용한 모델을 나타낸 것이다.
도 10의 관계로부터,
Mg = Fa + Fb
Fa × La = Fb × Lb
스트로크 방향의 하중을 Fh2로 하고, 스트로크 방향의 변위를 S로 하면,
Fh2 = μ × Fa + K × S
스프링 정수(K)와 변위(S)가 모두 작은 경우(μ × Fc > > K × S)
Fh2 ≒ μ × Fa
로 간주할 수 있다.
여기서, 간단히 하기 위해 La = Lb = L/2로 하면
Fa = Fb = Mg/2, 또한 도 11에 있어서는 Fc = Fd = Mg/2가 된다.
따라서, Fh2 ≒ μ × Fa = μ × Mg/2가 되고,
판 스프링 축받이(8)를 사용한 경우와 슬라이딩 축받이(40)만을 사용한 경우의 비교에서는,
(판 스프링 + 슬라이딩 축받이 사용) : (슬라이딩 축받이만) = Fh2 : Fh1 = 1/2 : 1
이 되고, 스트로크 방향의 하중이 절반이 되므로, 마찰에 의한 추력의 히스테리시스량도 절반으로 할 수 있다. 또, 가동자 축(51)의 축받이의 양쪽에 판 스프링 축받이(8)를 사용하면, 스트로크 방향의 하중은 0으로 하는 것도 가능한데, 일반적으로 슬라이딩 축받이(40)쪽이 비용이나 설치공간상 유리한 면이 있으므로, 한쪽을 판 스프링 축받이(8)로 하는 경우라도, 스트로크 방향의 하중을 경감할 수는 있다. 또한, 중심의 거리배분을 판 스프링 축받이(8)측에 배치한 구조로 함으로써, 상기의 절반보다 더욱 작게 할 수도 있다.
(판 스프링 축받이의 형상에 의한 스프링 정수)
상기의 스트로크방향에서의 하중계산시에 설명한 바와 같이, 판 스프링 축받이(8)의 스프링 정수는 작은 쪽이 바람직하다. 따라서, 판 스프링 축받이(8)의 형상을 가능한 한 스프링 정수가 작아지도록 설계하는 것이 중요하다.
도 12, 도 13은 판 스프링 축받이(8)를 간단하게 한 모델을 나타낸 것이다.
도 12의 형상의 경우의 단면 2차 모멘트(I)와 구부러짐량(σ)은, 영률을 E로 하면 하기의 식으로 나타난다.
I = B × H3/12
σ = P × L3/(48 × E ×I)
이들 식으로부터 스프링 정수를 k로 하면, P = k × σ로 하여, 스프링 정수(k)를 구하면, k = 4 × E × B × (H/L)3
이 되므로, 스프링 정수(k)를 작게 하기 위해서는, 판 스프링 폭(B)과 판 스프링 두께(H)를 작게 하고, 판 스프링 길이(L)를 크게 하는 것이 중요하게 된다. 또한 동시에, 판 스프링 두께(H)나 판 스프링 길이(L)는 3승의 영향이 있으므로, 스프링 정수의 편차를 작게 하기 위해서는, 판 스프링 두께(H)나 판 스프링 길이(L)를 정밀도 좋게 제조하는 것도 중요하다.
또, 판 스프링 축받이(8)에 사용되고 있는 재료로서, 두께를 조정하는데 사용되는 심 등을 사용함으로써, 고정밀하게 스프링 정수가 작은 판 스프링 축받이(8)를 제조할 수 있다.
(실 장력조절장치의 소형화)
실 장력조절장치(1)는, 소형화를 도모하기 위해 우선 보이스 코일 모터(5)의 소형화를 도모하고 있다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 보이스 코일 모터(5)는 직경방향으로 착자된 영구자석(52, 53, 54, 55)을 사용하고 있다.
재봉기(M)의 실 장력조절장치(1)의 조립부분에서는, 다른 부품과의 간섭으로 인해, 실 장력조절장치(1)가 조립할 수 있는 허용단면적이 작기 때문에, 보이스 코일 모터(5)를 그 가동자 축(51)의 축선방향으로 긴 형상으로 할 필요가 있다. 보이스 코일 모터(5)의 형상을 가동자 축(51)의 축선방향으로 긴 형상으로 했을 경우에는, 보이스 코일 모터(5)의 영구자석(52, 53, 54, 55)이나 코일(57, 58, 59, 60)의 단면적도 작게 할 필요가 있으므로, 가동자 축(51)의 이동방향으로 자기회로의 표면적이 많게 취해지는 직경방향으로 착자된 영구자석(52, 53, 54, 55)을 이용하 는 것이 바람직하다. 직경방향으로 착자된 영구자석(52, 53, 54, 55)의 길이를 길게 함으로써 자계면적이 많아지기 때문이다. 단, 자기회로의 자속 루프의 자속은, 단면적에 의한 자기포화량이 제한되므로, 가동자 축(51)의 이동방향으로 자속 루프수를 늘려 추력을 올림으로써, 원하는 추력사양으로 할 필요가 있다.
또한, 보이스 코일 모터(5)는, 가동자(6)측에 영구자석(52, 53, 54, 55)을 배치하고, 고정자(7)측에 코일(57, 58, 59, 60)을 배치하고 있으므로, 실 장력을 조정할 때에는, 영구자석(52, 53, 54, 55)만의 이동이 되어, 코일(57, 58, 59, 60)의 리드선은 이동하지 않으므로, 단선 등의 문제는 없다.
또한, 고정자(7)의 코일(57, 58, 59, 60)은, 코일 요크(61)의 바로 내측에 있으며, 보이스 코일 모터(5)의 케이스라도 있는 코일 요크(61)는, 재봉기 헤드부 프레임(2)으로 조립되므로, 코일(57, 58, 59, 60)의 발열은, 코일 요크(61)로부터, 재봉기 헤드부 프레임(2)으로 전달되기 쉬우므로, 방열성이 좋으며, 보이스 코일 모터(5)의 추력을 향상시킬 수도 있다.
실 장력조절장치(1)는, 소형화를 위해 실 장력조절기(3)와 디스크 누르개(33)와 구동로드(4)와 보이스 코일 모터(5)를 일체화하여, 가능한 한 그 결합부분을 작게 할 수 있도록 구성되어 있다,
여기서, 실 장력조절기(3)와 보이스 코일 모터(5)를 일체화하여, 양쪽의 사이를 짧게 하면, 보이스 코일 모터(5)의 누출 자속이 실 장력조절기(3)에 영향을 미치지 않도록 자기회로를 검토할 필요가 있다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 보이스 코일 모터(5)의 가동자 축(51)의 이동방향 의 양단에서는, 누출자속이 있으며, 보이스 코일 모터(5)의 기본자기회로부분인 자력선(504)에 가까운 자력선(502)이나, 약간 떨어져 있는 자력선(501)이 있다. 자력선이 닿아 있는 범위에서는, 자기흡인력이 발생하므로, 실 장력조절 디스크(31, 32)에 작용한 경우에서는, 일반적으로 철 등의 강자성체로 형성되어 있는 실 장력조절 디스크(31, 32)끼리 흡착하기 때문에, 실 장력을 제어하기가 곤란해진다. 가장 용이한 대책방법으로서는, 실 장력조절기(3)에서 사용되고 있는 부품을 전부 스테인리스 등의 비자성 재료로 하는 방법이 있는데, 강도나 마모에 대한 내성, 비용을 고려하면 비자성 재료로는 할 수 없는 것이 많으므로, 보이스 코일 모터(5)에 가까운 부품을 주로 비자성 재료로 하고 있다. 도 7에 있어서는, 도 3에 나타낸 실 장력조절기(3)의 구성부품 중, 슬라이딩 축받이(40), 실 장력조절봉(37)을 비자성 재료로 형성하고 있다. 또한, 도 2에 나타낸 구동로드(4)도 마찬가지로 비자성 재료로 형성하고 있다.
이들 부품을 비자성 재료로 함으로써, 실 장력조절봉 받침(38)을 통하여 구성되는 자력선(501)을 제외하면, 가동자 축(51)이 실 장력조절기(3)측에 가까운 경우라도, 영구자석(52, 53, 54, 55)으로부터 코일요크(61)까지의 거리 이내에 강자성 재료의 부품이 없으므로, 자력선(502)의 부근에서 대부분의 누출자속이 통과하게 되어, 실 장력조절기(3)측에 대한 자기흡인력 등의 영향을 저감할 수 있다.
(코일의 발생자계에 대하여)
코일(57, 58, 59, 60)은, 통전되면, 도 6에 나타낸 바와 같이 각 코일(57, 58, 59, 60)의 구간에 자계가 발생한다. 발생된 자계는, 인접하는 코일(57, 58, 59, 60)에서 코일의 감김방향이 다르기 때문에, 발생하는 자계의 방향도 반대가 된다. 코일(57, 58, 59, 60)이 일체로 직접적으로 접속되어 있기 때문에 통전되어 있는 전류의 크기는 동일하다. 통상적으로, 코일 구간의 감김수는 동일한 수로 감겨져 있으므로, 각 코일 구간에서 발생하는 자계도 동일한 값이 된다. 따라서, 인접하는 코일(57, 58, 59, 60)에 의해 발생하는 동일한 크기의 자계의 방향이 반대이므로, 상쇄되어 코일 전체의 자계는 없어진다.
시간을 t, 코일의 저항값을 R, 코일 전류를 I(t), 코일 인가전압을 V(t), 코일에 발생하는 자계를 φ, 코일의 인덕턴스를 L로 하면,
V(t) = R × I(t) + dφ/dt, 여기서 φ = L × I(t)
로 나타낸다.
여기서, 코일 구간에서 자계가 상쇄되므로, 외관상 dφ/dt ≒ 0이 되고, 상기 식에 적용하면,
dφ/dt = L × dI(t)/dt ≒ 0
이 된다.
그러나, 전류(I)는 증대되므로 dI/dt ≠ 0이기 때문에, L ≒ 0 이 되게 된다.
즉, 외관상, 코일(57, 58, 59, 60)의 인덕턴스(L)가 작아지는 효과가 보이므로, 전기적 시정수인 τ = L/R이 작아지고, 전류의 응답성이 향상된다.
또한, 코일(57, 58, 59, 60)이 1개의 마그넷 와이어이기 때문에, 전류값은 어디서도 동일하므로, 각 코일구간의 감김수가, 동일한 방향끼리의 감김수가 동일 하면, 전체적으로 코일 자계의 상쇄가 가능해지기 때문에, 코일(57, 58, 59, 60)의 각 코일 구간에서의 감김수가 모두 동일하지 않아도 상기의 효과를 나타낸다.
또한, 보이스 코일 모터(5)에서는, 코일 중앙부분의 2개의 코일(58, 59) 구간은, 영구자석(52, 53, 54, 55)의 자계가 항상 작용하고 있지만, 양단의 2개의 코일(57, 60) 구간은, 가동자 축(51)이 어느 한쪽으로 이동한 경우 밖에, 추력에 기여하지 않으므로, 코일(57, 58, 59, 60)의 감김수를 줄여도, 추력저하는 거의 발생하지 않기 때문에, 양단의 코일(57, 60) 구간의 코일의 감김수를 줄임으로써, 코일(57, 58, 59, 60) 전체의 저항값을 낮출 수 있다.
<효과>
가동자 축(51)의 축받이의 적어도 한쪽을 판 스프링 축받이(8)로 함으로써, 가동자 축(51)과 축받이와의 사이의 마찰을 줄여, 마찰력에 의한 추력의 히스테리시스를 경감할 수 있으므로, 실 장력조절장치(1)의 추력방향에 따른 추력값의 편차를 없앨 수 있다. 또한, 가동자 축(51)의 양쪽 지지부를 판 스프링 축받이(8)로 구성한 경우에는, 마찰력에 의한 추력의 히스테리시스가 없어지므로, 실 장력조절장치(1)의 추력방향에 따른 추력값의 편차를 없앨 수 있다.
판 스프링 축받이(8)의 가공 정밀도나 온도가 변화되어도, 추력 히스테리시스 특성이 발생하지 않으므로, 실 장력에 편차없이 재현성이 유지된다.
가동자 축(51)과 판 스프링 축받이(8)의 마찰력의 영향이 거의 없으므로, 장력을 낮게 설정할 수 있다.
정지마찰에 의한 영향이 없어지며, 보이스 코일 모터(5)의 개시시간의 지연 을 해소할 수 있으며, 실 장력조절장치(1)의 응답성을 고속으로 할 수 있다.
가동범위에 따라, 판 스프링 축받이(8)의 반력에 의한 추력저하의 영향이 나타나는데, 미리 스프링 정수를 계측해 둠으로써, 추력저하분을 구동전류의 증가에 따라 정확하게 보정함으로써, 보이스 코일 모터(5)의 구동전류 지령값 대로 실 장력을 제어할 수 있다.
마찰력에 의한 히스테리시스 특성을, 가동자(6)의 질량을 경감하는 등의 대책없이 없앨 수 있으므로, 보이스 코일 모터(5)의 구동성능에 영향을 주지 않는다.
판 스프링 축받이(8)에서는 마모부품이 없어지므로, 장기간에 걸쳐 품질을 유지할 수 있다. 당연히 부품교환 등의 유지보수도 필요 없게 된다.
인접하는 코일을 반대로 감고 있으므로, 코일의 통전에 의해 발생되는 자계가 없어져 자계의 변화가 항상 작아지고, 외관상 코일의 인덕턴스도 작아진다. 따라서, 전기적 시정수가 작아짐으로써, 전류의 응답성도 빨라지고, 보이스 코일 모터(5)의 응답성도 향상된다.
자석가동형의 보이스 코일 모터(5)이므로, 발열체가 되는 코일(57, 58, 59, 60)은 고정자(7)측에 있으며, 방열성이 좋기 때문에, 소형·고추력화가 가능하게 된다.
전류의 공급원은 고정자(7)측에서, 가동자(6)에는 케이블이 없기 때문에 단선의 우려가 없어 신뢰성이 우수하다.
보이스 코일 모터(5)와 실 장력조절기(3)를 일체화하여 소형화함으로써, 재봉기 헤드부 프레임(2)에 대한 조립시의 설치 장소의 자유도가 증가한다.
보이스 코일 모터(5)를 실 장력조절기(3)와 일체화한 경우에는, 재봉기 헤드 부 프레임(2)에 대한 부착·분리가 용이해진다.
실 장력조절기(3)에서의 자속의 누출에 관한 부품을 비자성 재료로 구성하였으므로, 자기흡인력 등의 자기영향이 없다.
직경방향으로 착자된 영구자석(52, 53, 54, 55)을 사용하고 있으므로, 가동자 축(51)의 축선방향으로 착자된 영구자석을 사용한 경우보다 축의 길이방향의 자기 누출이 적고, 실 장력조절기(3)의 부품이나 다른 재봉기 부품에 대한 자기영향이 적다.
<기타>
또, 본 발명의 범위는 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 영구자석의 수, 코일의 감김선의 감김수는 임의로 자유롭게 변경할 수 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 자속루프를 3부분에 설치하여, 추력을 향상시키고 있는데, 치수 사양의 허용범위내에서, 자속루프수를 보다 많은 수로 하여도 된다. 또한, 반대로 실 장력이 적어도 되는 경우에는, 자속루프수를 줄여도 상관없다.
또한, 도 18, 도 19에 나타낸 바와 같이, 판 스프링 축받이(10)를, 스테인리스 등의 비자성 재료로 형성하고, 고정자에 부착되는 외부둘레부(101)와, 외부둘레부(101)에 연속되어, 가동자 축(51)의 단부측을 향해 굴곡 형성된 굴곡부(102)와, 굴곡부(102)에 연속되어, 가동자 축(51)에 고정되는 고정부(103)를 갖도록 형성해도 된다.
판 스프링 축받이(10)를 이러한 구성으로 했을 경우에는, 보이스 코일 모터(5)의 가동자 축(51)의 추력에 의해, 고정부(103)의 중심부가 이동한다. 판 스프링 축받이(10)의 외부둘레부(101)는, 심링(92)과 커버(93)에 의해 끼워지고, 또한 코일요크(61)에 의해 체결되어 고정되어 있으므로, 판 스프링 축받이(10)의 중앙부분인 고정부(103)의 중심부(103a)와 굴곡부(102)가 모멘트를 받아 구부러져 이동할 수 있게 되어, 축받이로서 기능한다.
또, 도 19에 나타낸 바와 같이, 고정부(103)를 직사각형상으로 형성함으로써, 비틀림에 강한 판 스프링 축받이(10)로 할 수 있다.
기타, 발명의 범위내에서 자유롭게 설계를 변경할 수 있다.
청구항 1에 기재된 발명에 따르면, 가동자 축에서의 구동원측의 단부를 지지하는 축받이를 판 스프링 축받이로 하였기 때문에, 가동자 축에 작용하는 마찰은 축받이 하나만큼이 되거나 혹은 거의 0 중 어느 하나가 된다.
이에 따라, 액추에이터의 구동시에 작용하는 마찰을 경감할 수 있으며, 액추에이터의 재현성, 응답성, 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.
구체적으로는, 축받이 부품의 가공 정밀도나 온도가 변화되어도, 추력 히스테리시스 특성이 발생하지 않기 때문에, 실 장력에 편차가 없이 재현성이 유지된다. 또한, 정지마찰에 의한 영향이 없어지고, 액추에이터 시동시간의 지연을 해소할 수 있으며, 실 장력조절장치의 응답성을 고속으로 할 수 있다.
또한, 가동범위에 따라, 판 스프링의 반력에 의한 추력저하의 영향이 생기는데, 미리 스프링 정수를 계측해 둠으로써, 추력저하분을 구동전류의 증가에 의해 정확히 보정함으로써, 액추에이터의 구동전류 지령값대로 실 장력을 제어할 수 있다. 마찰력에 의한 히스테리시스 특성을, 액추에이터 가동부의 질량을 경감하는 등의 대책없이 없앨 수 있으므로, 액추에이터의 구동성능에 영향을 주지 않는다. 또한, 판 스프링 축받이에서는 마모부품이 없어지기 때문에, 장기간에 걸쳐 품질을 유지할 수 있다. 당연히 부품교환 등의 거듭되는 유지보수도 필요 없게 된다.
청구항 2에 기재된 발명에 따르면, 따라서 가동자 축의 이동시에는 연속부가 휨으로써 고정부만 가동자 축과 함께 변위된다.
이에 따라, 판 스프링에 의해 형성된 축받이라도 축받이로서의 기능을 발휘시킬 수 있다.
청구항 3에 기재된 발명에 따르면, 고정부는 가동자 축의 이동에 따라 모멘트가 작용하여 가동자 축의 이동방향으로 휜다.
이에 따라, 판 스프링에 의해 형성된 축받이라도 축받이로서의 기능을 발휘시킬 수 있다.
청구항 4에 기재된 발명에 따르면, 영구자석의 착자방향을 가동자 축의 직경방향을 따르게 함으로써, 가동자 축의 축방향으로 자기회로의 표면적을 크게 확보할 수 있다. 또한, 영구자석을 길게 함에 따라 자계면적이 커지므로, 영구자석을 가동자 축의 직경방향으로 직경을 확대시킴으로써 발생되는 구동원의 대형화의 문제를 해소할 수 있으며, 구동원을 가동자 축의 직경방향으로 크게 하지 않아도 영구자석의 수를 늘림으로써 추력을 증가시킬 수 있다.
청구항 5에 기재된 발명에 따르면, 가동자 축의 이동방향을 따라 복수의 자기회로를 형성함으로써, 구동원이 발휘할 수 있는 추력을 증가시킬 수 있다.
청구항 6에 기재된 발명에 따르면, 구동원과, 한 쌍의 실 장력조절 디스크 및 구동기구를 일체로 구성함으로써, 실 장력조절장치의 소형화를 도모할 수 있다.
청구항 7에 기재된 발명에 따르면, 가동자 축이 실 장력조절 디스크에 가까워지도록 이동한 경우라도, 코일 또는 영구자석으로부터 실 장력조절측으로 자속이 누출되기 어려워지기 때문에, 코일 또는 영구자석의 자속에 의한 실 장력조절 디스크의 오동작을 방지할 수 있다.

Claims (8)

  1. 실을 끼워유지하는 한 쌍의 실 장력조절 디스크와, 한쪽의 실 장력조절 디스크를 다른쪽의 실 장력조절 디스크에 대하여 접촉 및 분리시키도록 구동시키는 구동기구와, 상기 구동기구를 구동시키는 구동원을 구비하며,
    상기 구동원은, 축선방향을 따라 이동하는 가동자 축과 상기 가동자 축에 설치된 영구자석을 갖는 가동자와, 상기 영구자석의 둘레에 소정 간격을 두고 감긴 코일이 설치된 고정자와, 상기 가동자 축의 양단부를 지지하는 축받이를 구비하는 재봉기의 실 장력조절장치로서,
    상기 가동자 축에서의 상기 한 쌍의 실 장력조절 디스크로부터 먼 쪽의 단부를 지지하는 축받이를 판 스프링에 의해 형성된 판 스프링 축받이로 하고,
    상기 판 스프링 축받이는,
    상기 고정자에 부착되는 외부둘레부와,
    상기 가동자 축에 고정되는 고정부와,
    상기 고정부와 상기 외부둘레부를 연결하는 동시에, 상기 고정부와의 연결부분과 상기 외부둘레부와의 연결부분이 상기 고정부를 사이에 두고 대향하도록 형성된 복수의 연결부를 구비하며,
    상기 외부둘레부는, 심링과 커버에 의해 끼워지고, 더욱이 코일 요크에 의해 체결되어 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 재봉기의 실 장력조절장치.
  2. 삭제
  3. 실을 끼워유지하는 한 쌍의 실 장력조절 디스크와, 한쪽의 실 장력조절 디스크를 다른쪽의 실 장력조절 디스크에 대하여 접촉 및 분리시키도록 구동시키는 구동기구와, 상기 구동기구를 구동시키는 구동원을 구비하며,
    상기 구동원은, 축선방향을 따라 이동하는 가동자 축과 상기 가동자 축에 설치된 영구자석을 갖는 가동자와, 상기 영구자석의 둘레에 소정 간격을 두고 감긴 코일이 설치된 고정자와, 상기 가동자 축의 양단부를 지지하는 축받이를 구비하는 재봉기의 실 장력조절장치로서,
    상기 가동자 축에서의 상기 한 쌍의 실 장력조절 디스크로부터 먼 쪽의 단부를 지지하는 축받이를 판 스프링에 의해 형성된 판 스프링 축받이로 하고,
    상기 판 스프링 축받이는,
    상기 고정자에 부착되는 외부둘레부와,
    상기 외부둘레부에 연속되며, 상기 가동자 축의 단부측에 굴곡 형성된 굴곡부와,
    상기 굴곡부에 연속되며, 상기 가동자 축에 고정되는 고정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 재봉기의 실 장력조절장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 영구자석은, 상기 가동자 축의 외주면을 따라 설치되는 동시에, 상기 가동자 축의 직경방향을 따라 착자되어 있는 것을 특징으로 하는 재봉기의 실 장력조절장치.
  5. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 가동자 축의 이동방향을 따라 복수의 자기회로를 형성한 것을 특징으로 하는 재봉기의 실 장력조절장치.
  6. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 구동원과, 상기 한 쌍의 실 장력조절 디스크 및 상기 구동기구를 일체로 구성한 것을 특징으로 하는 재봉기의 실 장력조절장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 한 쌍의 실 장력조절 디스크와 상기 구동원과의 사이에 배치되는 실 장력조절봉을 구비하고,
    상기 가동자 축에서의 실 장력조절 디스크측의 단부를 지지하는 축받이와 상기 실 장력조절봉을 비자성 재료로 형성한 것을 특징으로 하는 재봉기의 실 장력조절장치.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 가동자 축의 이동방향을 따라 복수의 자기회로를 형성한 것을 특징으로 하는 재봉기의 실 장력조절장치.
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