KR101769307B1 - 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터에 관한 것으로, 구동부와; 싸이클로이드 로우터의 편심 회전으로 구동부의 입력 토크를 감속하는 감속부; 감속부를 통해 미리 설정된 감속 토크를 전달받아 출력 토크를 중공형 출력 샤프트를 통해 외부로 전달하는 출력부; 및 감속부와 출력부 사이에 배치되고, 중공형 출력 샤프트의 회전 각도를 측정하는 엔코더부;로 이루어지는데, 엔코더부에는 싸이클로이드 로우터와 중공형 출력 샤프트를 연결하는 다수의 로드로 중공형 출력 샤프트와 동일 회전비로 회전하는 링형상의 제3 구동기어와; 제3 구동기어와 치합되도록 맞물려 제3 구동기어와 동일한 회전비로 회전하는 제2 종동기어와, 이 제2 종동기어를 제3 하우징 상에서 회전가능하게 지지하는 제2 종동축을 갖춘 제1 기어 트레인; 및 제2 종동축의 하단부에 배치된 수직형 원통자석과, 제2 종동축의 하단부에서 소정의 간격을 두고 인쇄회로기판에 실장된 비접촉식 마그네틱 센서로 구성된 제1 엔코더;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터 {Hollow type actuator having high-performance contactless encoder}

본 발명은 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터에 관한 것이다.

일반적으로, 매니퓰레이터(manipulator)는 관절과 링크로 이루어져 3차원 공간에서 물리적 힘을 발휘하기 위한 산업용 로봇의 일종이다. 로봇의 관절은 동력을 발생하는 모터로부터 고출력 토크를 얻기 위해 모터의 출력단에 감속기를 설치하는 것이 일반적이다.

특허문헌 1의 '축마다 중공형 구동모듈 및 1축 토크 센서가 장착된 산업용 직접교시 로봇'에서는 각 관절부에 구비된 로봇 암(arm)의 회전수를 기록하는 중공형 엔코더를 개시하고 있다. 종래기술에 따른 중공형 엔코더는 회전축을 중심으로 하여 중공형으로 제작되어 있다.

당해 분야의 숙련자들에게 알려져 있듯이, 엔코더는 인클리멘탈(incremental) 엔코더와 앱솔루트(absoute) 엔코더로 분류될 수 있다. 앱솔루트 엔코더를 구현하기 위해서 일반적으로 사용되는 방법은 각 각도에 따라 2진 신호를 출력할 수 있는 슬릿 및 수광/발광 소자를 이용한 광학식 방법이나, N-S 극이 반복적으로 배열된 마그네틱 로터 및 홀센서를 이용한 마그네틱 방법이 있다.

위 두가지 방법은 중실축 또는 중공축의 회전 축에 대하여 모두 사용이 가능하나, 부피 및 무게가 크다는 단점이 있으며 구현을 위한 비용이 높아 고가의 특수 목적 부품 외에는 사용이 되지 않고 있는 실정이다.

한편, 최근 비접촉식 마그네틱 엔코더 IC 가 개발되어 기존 앱솔루트 방식의 엔코더를 구현하기 위한 비용을 감소시켰다. N극과 S극이 수직으로 분할된 수직형 원통 자석을 비접촉식 마그네틱 엔코더 IC의 위에서 회전시키게 되면 해당 각도의 절대 값을 계산하여 출력하는 센서로서, 종래 마그네틱을 이용한 앱솔루트 엔코더 방식과 비교하여 필요한 자석의 극수가 적고 부피 및 무게가 작아지는 장점이 존재한다.

그런데 이러한 비접촉식 마그네틱 엔코더는 회전축이 반드시 센서 위에서 회전해야 한다는 제약 사항이 존재하므로, 중공 형태의 엔코더 구조를 구현할 수 없는 단점이 있으며, 또한 기기 특성상 분해능이 낮고 노이즈까지 발생하여 정밀한 계측이 어려운 단점이 존재한다.

최근 개발되는 다관절 로봇의 관절 구조는 대부분 중공 형태로 제작이 되며, 로봇이라는 분야의 특성상 높은 분해능을 갖는 엔코더를 요구한다. 비접촉식 마그네틱 엔코더의 개발로 인하여 기존 앱솔루트 엔코더를 구현하기 위한 진입 장벽이 낮아지기는 했지만, 로봇 분야에의 적용을 위해서는 중공 구조에 대한 고안 및 낮은 분해능의 단점을 개선할 수 있는 추가적인 발명이 필요하다.

대한민국 등록특허 제10-1309652호

본 발명의 목적은, 비접촉식 마그네틱 엔코더 IC를 이용한 엔코더를 중공형 액츄에이터에 적용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 비접촉식 마그네틱 엔코더 IC를 이용한 엔코더를 채용하는 중공형 액츄에이터에서 분해능을 향상시키기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터는 구동부와; 싸이클로이드 로우터의 편심 회전으로 구동부의 입력 토크를 감속하는 감속부; 이 감속부를 통해 미리 설정된 감속 토크를 전달받아 출력 토크를 중공형 출력 샤프트를 통해 외부로 전달하는 출력부; 및 감속부와 출력부 사이에 배치되고, 중공형 출력 샤프트의 회전 각도를 측정하는 엔코더부;로 이루어져 있다. 여기서, 엔코더부는 링형상의 제3 하우징과; 이 제3 하우징의 하부에 배치된 인쇄회로기판; 싸이클로이드 로우터와 중공형 출력 샤프트를 연결하는 다수의 로드로 중공형 출력 샤프트와 동일 회전비로 회전하는 링형상의 제3 구동기어; 제3 구동기어와 치합되도록 맞물려 제3 구동기어와 동일한 회전비로 회전하는 제2 종동기어와, 이 제2 종동기어를 제3 하우징 상에서 회전가능하게 지지하는 제2 종동축을 갖춘 제1 기어 트레인; 및 제2 종동축의 하단부에 배치된 수직형 원통자석과, 제2 종동축의 하단부에서 소정의 간격을 두고 인쇄회로기판에 실장된 비접촉식 마그네틱 센서로 구성된 제1 엔코더;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 제3 구동기어와 치합되도록 맞물려 제3 구동기어와 1:N(N>1)의 회전비로 회전하는 제3 종동기어와, 이 제3 종동기어를 제3 하우징 상에서 회전가능하게 지지하는 제3 종동축을 갖춘 제2 기어 트레인과; 제3 종동축의 하단부에 배치된 수직형 원통자석과, 제3 종동축의 하단부에 소정의 간격을 두고 인쇄회로기판에 실장된 비접촉식 마그네틱 센서로 구성된 제2 엔코더;를 엔코더부에 추가로 구비할 수 있다.

바람직하기로, 제2 엔코더로 측정된 최종 각도는 아래의 수학식 1에 의해 계산되는바,

[수학식 1]

여기서, N은 제3 종동기어의 회전비, S는 제1 엔코더의 출력신호 구간의 섹션값(0 ~ N-1), R은 제2 엔코더 분해능, P는 제2 엔코더의 펄스값이다.

제2 엔코더에 채용되는 제3 종동기어는 제3 종동축 상에 설치된 주기어와, 주기어에서 면접상태로 축선상으로 적층배열되어 있는 보조기어, 및 주기어와 보조기어 사이에 개재된 토션 스프링로 구성되어, 백래시를 제거할 수 있을 것이다.

본 발명은 제1 하우징 내부에 방사상으로 분산배치된 다수의 모터와; 모터의 토크를 중공형 입력 샤프트에 전달하도록, 중공형 입력 샤프트에 체결된 링형상의 제1 종동기어와, 제1 종동기어와 치합가능하도록 모터 샤프트에 결합되어 있는 제1 구동기어를 갖춘 동력전달부;를 구비한 구동부를 구비할 수 있다.

본 발명은 중공형상의 제2 하우징과; 이 제2 하우징 내부에 배치되어 제1 종동기어를 통해 입력 토크를 전달받는 중공형 입력 샤프트; 중공형 입력 샤프트를 수용하는 중심공과 내부영역에 원주방향으로 등간격되게 배치된 하나 이상의 삽입공 및 가장자리 둘레를 따라 치형돌기를 연속적으로 배치하는 외주면을 갖추고, 중공형 입력 샤프트의 외주면에 편심 회전가능하게 결합된 하나 이상의 싸이클로이드 로우터; 싸이클로이드 로우터의 외주면과 접촉가능하게 하우징 내주면 둘레를 따라 배치되어 있는 다수의 롤러; 삽입공에 안착되어 축선방향으로 돌출되어 있는 다수의 핀; 및 다수의 핀에 결합되어, 제3 구동기어와 중공형 출력 샤프트를 회전구동하는 부축;을 구비한 감속부를 전술된 구동부의 하류(혹은 후단측)에 배치할 수 있다.

바람직하기로, 중공형 입력 샤프트는 하나 이상의 싸이클로이드 로우터를 안착할 수 있게 외주면에 하나 이상의 단차부를 형성할 수 있다.

본 발명은 부축의 로드로 전달받은 감속 토크를 외부로 전달하는 중공형 출력 샤프트와; 중공형 출력 샤프트를 수용하는 중공형상의 제4 하우징; 및 이 제4 하우징의 개방 후단측에 탈장착되어 있는 환형상 플레이트;를 구비하는 출력부를 전술된 감속부와 엔코더의 하류(혹은 후단측)에 배치할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 비접촉식 마그네틱 엔코더를 수단으로 하여 중공축 회전 각도를 측정할 수 있는 중공형 액츄에이트를 제공할 수 있다.

특히, 본 발명은 중공형 출력 샤프트와 동일 회전비로 회전하는 구동기어에 치합되어 있는 기어 트레인을 통해 회전축 아래에 센서를 배치해야 하는 비접촉식 마그네틱 엔코더를 채용할 수 있도록 하므로, 비접촉식 마그네틱 엔코더 IC를 이용한 엔코더를 중공형 액츄에이터에 적용할 수 있도록 한다.

본 발명은 중공형 출력 샤프트와 동일 회전비를 가진 제1 기어 트레인(베이스 기어 트레인)과 중공형 출력 샤프트와 다른 회전비(1:N)를 가진 제2 기어 트레인을 엔코더부에 장착하여, 각 기어 트레인으로부터 회전 각도를 제공받아 상호 비교판독하여 더욱 정밀한 회전 각도를 산출해낼 수 있다. 또한, 본 발명은 낮은 분해능을 증폭시키는 한편 백래시를 최소화할 수 있는 구조를 갖는 장점을 제공하게 된다.

본 발명은 액츄에이터의 길이방향을 따라 중공부를 형성하고 있어 중공부로 배선을 배치할 수 있을 뿐만 아니라 경량화를 구현할 수 있다. 결과적으로, 배선이 액츄에이터의 작업 반경과 작동에 영향을 미치지 않게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 중공형 액츄에이터의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 중공형 액츄에이터에 구비된 감속부의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 중공형 액츄에이터에 구비된 엔코더부를 다른 일측에서 바라본 분해 사시도이다.
도 4a는 제2 기어 트레인에 채용된 제3 종동기어의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 중공형 액츄에이터에 구비된 엔코더부의 평면도이다.
도 6은 도 5의 A-A 선에서 바라본 엔코더부의 단면도이다.
도 7은 제1 기어 트레인의 제2 종동기어에 채용된 제1 엔코더와 제2 기어 트레인의 제3 종동기어에 채용된 제2 엔코더의 출력신호를 도해한 그래프도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 첨부 도면에 있어서, 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 액츄에이터를 도해한 것이다.

개략적으로, 본 발명의 중공형 액츄에이터(1)는 구동부(10)와, 이 구동부(10)의 입력 토크를 감속하는 감속부(20), 중공축 또는 중공형 출력 샤프트(430)의 회전각도를 측정하는 엔코더부(30), 및 구동부(10)의 입력 토크를 감속부(20)를 통해 미리 설정된 감속 토크를 전달받아 출력 토크를 외부로 전달하는 출력부(40)로 구성되는데, 구동부(10), 감속부(20), 엔코더부(30), 및 출력부(40)는 축선방향을 따라 결합되어 있다. 예컨대, 본 발명은 구동부(10)의 제1 하우징(110), 감속부(20)의 제2 하우징(210), 엔코더부(30)의 제3 하우징(310), 및 출력부(40)의 제4 하우징(410)을 각각 상하 인접배치된 구성부재들과 나사체결 등의 다양한 결합방식으로 축선방향을 따라 결합할 수 있다.

구동부(10)는 제1 하우징(110) 내부에 방사상으로 다수의 모터(M)를 분산배치하는데, 다수의 모터(M)는 제1 하우징(110)의 내측면 둘레를 따라 등간격으로 이격배치되도록 한다. 제1 하우징(110)은 제1 커버(120)를 통해 제1 하우징(110)의 개방 상단부를 밀폐하여 다수의 모터(M)를 외부에 노출되지 않도록 한다. 도시된 바와 같이, 제1 커버(120)는 내부영역에 다수의 축 삽입공을 구비한다. 모터(M)의 모터축은 제1 커버(120)의 축 삽입공을 관통하여 외부로 돌출되어 있다.

본 발명은 감속부(20)를 통해 출력부(40)에 구동부(10)의 회전력을 전달할 수 있도록 동력전달부(130)를 구비하는데, 동력전달부(130)는 도시된 바와 같이 링 형상의 제1 커버(120) 상에 배치될 수 있다.

동력전달부(130)는 감속부(20)의 중공형 입력 샤프트(230;도 3 참조)에 체결된 링형상의 제1 종동기어(131)와, 각 모터(M)의 모터축 끝단에 위치고정된 제1 구동기어(132), 및 링형상의 제1 종동기어(131) 상에 안착고정되어 후단설비인 감속부(20)의 중공형 입력 샤프트(230)를 결합하는 커플링(133)을 구비한다. 제1 구동기어(132)는 제1 종동기어(131)의 외주면에 형성된 치상돌기와 치합되도록 맞물려져 있으며, 제1 종동기어(131)와 제1 구동기어(132)는 동일 평편(예컨대, 제1 커버) 상에 배치되어 액츄에이터(1)의 구동력 향상과 설치 높이를 낮출 수 있다.

제1 구동기어(132)는 제1 하우징(110) 내에 설치된 모터(M)의 모터축에 결합되어 모터(M)의 구동에 종속되어 회전하게 된다. 제1 구동기어(132)가 모터(M)의 회전 토크로 회전하면서 제1 구동기어(132)에 맞물려 있는 제1 종동기어(131)를 강제로 회전하게 한다. 전술된 바와 같이, 제1 종동기어(131)가 회전함에 따라 모터의 토크를 입력 샤프트(230)를 회전시켜 전달할 수 있도록 한다.

도 3을 참조로 하면, 감속부(20)는 구동부(10)와 동축선상으로 배치되되, 구동부(10)의 모터(M)에 연결되어 입력 토크를 전달받는 중공형 입력 샤프트(230)와, 이 입력 샤프트(230)를 둘러싸는 중공의 원통형상의 제2 하우징(210), 입력 샤프트(230)의 외주면에 결합되는 싸이클로이드 로우터(240;cycloid rotor), 싸이클로이드 로우터 가장자리 둘레를 따라 배치된 다수의 롤러(250), 중공형상의 제2 하우징(210)의 개방 전단측을 밀폐하는 링형상의 제2 커버(220), 및 싸이클로이드 로우터(240)에 결합되어 감속 토크를 출력부(40)와 엔코더부(30)에 전달하는 중공형 부축(260;lay shaft)으로 이루어져 있다.

제2 하우징(20)은 중공의 원통형상으로 형성되는데, 구동부(10)와 대향되게 배치될 제2 하우징(210)의 전단측은 링형상의 제2 커버(220)를 구비하고 엔코더부(30)와 대향되게 배치될 제2 하우징(210)의 후단측은 동력전달용 부축(260)으로 마감처리된다. 도시된 바와 같이, 감속부(20)는 제2 하우징(210)과 이 제2 하우징(210)의 전단측에 배치된 링형상의 제2 커버(220)로 한정된 내부 공간에 중공형 입력 샤프트(230), 싸이클로이드 로우터(240), 롤러(250), 부축(260) 등을 회전가능하게 지지보유할 수 있다. 제2 하우징(210)은 이의 전단측에 탈장착가능한 제2 커버(220)를 구비할 수 있는데, 제2 커버(220)의 탈장착을 통해 부축(260), 롤러(250), 싸이클로이드 로우터(240), 입력 샤프트(230) 등의 교체 및/또는 조립을 용이하게 제공할 수 있을 것이다.

롤러(250)는 중공형상의 제2 하우징(210)의 내주면 둘레를 따라 원주방향으로 등간격되게 배치된 제1 수용홈(215) 내에 회전가능하게 배치될 수 있다.

감속부(20)는 회전하는 싸이클로이드 로우터(240)의 외주면 둘레를 따라 형성된 치형돌기와 롤러(250)를 치합되게 배치하여, 입력측 스러스트 하중을 효과적으로 지지하는 한편 싸이클로이드 로우터(240)의 편심 회전을 가능하도록 지지할 수 있다.

도시된 바와 같이, 싸이클로이드 로우터(240)는 편평한 디스크 형상으로 형성되는데, 내부 영역 중심에 입력 샤프트(230) 둘레에 끼워 넣어지는 중심공(243)과, 내부영역에 원주방향으로 등간격되게 배치된 하나 이상의 삽입공(247), 및 이의 가장자리 둘레를 따라 치형돌기를 연속적으로 배치하는 외주면(245)을 구비한다. 여기서, 외주면(245)은 롤러(250)와 대응되는 형상과 크기를 갖는다. 만곡형상의 라운딩 치형돌기를 갖춘 외주면(245)은 싸이클로이드 로우터(240)의 편심 회전시 마찰을 최소화하기 위해 싸이클로이드 로우터(240) 가장자리 둘레를 따라 다수의 롤러(250)를 배치한다.

싸이클로이드 로우터(240)는 중공형 입력 샤프트(230)의 외주면에 형성된 단차부에 배치되되, 바람직하기로 싸이클로이드 로우터(240)의 중심공(243)과 중공형 입력 샤프트(230)의 단차부 외주면 사이에 베어링(B)을 개재할 수 있으며, 입력 샤프트의 외주면에 형성된 단차부는 그 축중심에 대하여 편심되어 있다.

감속부(20)는 중공형 입력 샤프트(230)의 축선방향을 따라 2개의 싸이클로이드 로우터(240)를 배치하고 있다.

감속부(20)는 싸이클로이드 로우터를 편심 회전시켜 정해진 감속비에 따라 회전 속도를 줄일 수 있는 구조로 이루어져 있다. 통상적으로, 싸이클로이드 로우터가 편심 회전하면서 진동을 유발하게 되는데, 이러한 진동을 억제할 수 있도록 하나 이상의 로우터, 바람직하기로는 2개의 싸이클로이드 로우터(240)를 축선방향으로 배치한다.

싸이클로이드 로우터(240)는 이의 내부영역에서 원주방향으로 등간격으로 이격배치된 삽입공(247)에 수용된 다수의 핀(270;pin)을 후단측을 향해 신장되도록 한다. 다수의 핀(270)은 도시된 바와 같이 축선방향으로 적층되어 있는 하나 이상의 싸이클로이드 로우터(240)의 위치선정을 돕는 한편 부축(260)에 결합된다. 싸이클로이드 로우터(240)의 편심 회전이 싸이클로이드 로우터의 각 삽입공(247) 내에 배치된 각각의 핀(270)을 싸이클로이드 회전방향으로 강제로 회전시키면서 감속비에 따라 부축(260)에 축결합되어 있는 엔코더부의 제3 구동기어(330)와 출력부의 출력 샤프트(430)를 회전시킨다. 이는 결과적으로 입력 샤프트(230)의 입력 토크를 미리 설정된 감속비로 조절하여 출력 샤프트(420)의 출력 토크로 전달할 수 있게 된다.

도 4 내지 도 6을 참조로 하면, 엔코더부(30;encoder)는 링형상의 제3 하우징(310)과, 제3 하우징(310)의 하부에 배치되고 일면에 비접촉식 마그네틱 센서(343b,353b)를 실장하고 있는 인쇄회로기판(320);이하 PCB), 제3 하우징(310)의 상부 중심에 배치된 링형상의 제3 구동기어(330), 제3 구동기어(330)에 치합되도록 맞물려 있는 제1 기어 트레인(340;gear train), 및 제3 구동기어(330)에 치합되도록 맞물려져 있는 제2 기어 트레인(350)으로 이루어지는데, 로드(261;도 3 참조)로 회전하는 중공형 출력 샤프트(430)의 회전 각도를 측정할 수 있는 구성부재이다. 제3 구동기어(330)와 제1 기어 트레인(340) 및 제2 기어 트레인(350)은 제3 하우징(310)의 동일 평면 상에 배치되어 설치 높이를 낮출 수 있다.

제1 기어 트레인(340)은 제3 구동기어(330)를 구동축으로 하여 제3 구동기어(330)에 맞물려 회전하는 제2 종동기어(341)와 제2 종동기어(341)를 제3 하우징 상에서 회전가능하게 지지하는 제2 종동축(342)을 구비하는데, 제3 구동기어(330)와 제2 종동기어(341)의 회전비(1:1)를 동일하게 설정한다. 본 발명에 따른, 엔코더부(30)는 제2 종동축(342)의 하단부에 수직형 원통자석(343a)을 매립하는 한편 제2 종동축(342)의 하단부에서 수직형 원통자석과는 소정의 간격을 두고 이격된 비접촉식 마그네틱 센서(343b)로 구성된 제1 엔코더(343)를 구비한다.

제2 기어 트레인(350)은 제3 구동기어(330)를 구동축으로 하여 제3 구동기어(330)에 맞물려 회전하는 제3 종동기어(351)와 제3 종동기어(351)를 제3 하우징 상에서 회전가능하게 지지하는 제3 종동축(352)을 구비하는바, 제3 구동기어(330)와 제3 종동기어(351)의 회전비를 1:N(N>1)으로 설정되어 각각 회전하게 된다. 즉, 제3 구동기어(330)가 1회전하는 동안에, 제2 종동기어(341)는 동일하게 1회전하는 반면에 제3 종동기어(351)는 N회전하도록 설계되어 있다. 제1 기어 트레인(340)과 제2 기어 트레인(250)의 기어비는 1:N(N>1)이다. 엔코더부(30)는 제3 종동축(352)은 하단부에 수직형 원통자석(353a)을 매립하는 한편 제3 종동축(352)의 하단부에서 수직형 원통자석과는 소정의 간격을 두고 이격된 비접촉식 마그네틱 센서(353b)로 구성된 제2 엔코더(353)를 구비한다.

본 발명에 따른 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터(1;도 2 참조)는 중공형 출력 샤프트(430)와 동일한 회전비를 가진 제3 구동기어(330)의 회전 각도를 측정하기 위해, 비접촉식 마그네틱 센서(이하 센서) 상에 N극과 S극을 수직으로 분할한 수직 원통자석을 매립한 종동축을 회전시키면 원통자석에 의해 센서에 자장 변화가 일어나 종동축의 절대위치를 검출하여 회전 각도를 측정할 수 있는 비접촉식 엔코더를 채용한다. 특히, 비접촉식 엔코더는 전술된 바와 같이 회전축 아래에 센서를 배치해야 하는데, 중공형 출력 샤프트의 구조적 특성상 출력 샤프트 아래에 센서를 배치할 수 없는 문제점을 엔코더부의 기어 트레인 구조를 통해 해소하는 한편 낮은 분해능을 증폭시키는 동시에 백래시를 최소화하여 동력손실 및 오차를 최소화할 수 있다. 제1 기어 트레인에 채용된 제1 엔코더(343)와 제2 기어 트레인에 채용된 제2 엔코더(353)에서 각각 측정된 펄스값을 수단으로 하여 증폭된 분해능으로 정밀한 회전 각도를 계산할 수 있는데, 이러한 측정 방법은 도 7을 참조로 하여 아래에서 상세히 설명하도록 한다.

덧붙여서, 제1 및 제2 기어 트레인은 제3 구동기어와 종동기어 사이에 설치되어 위치와 회전방향을 변환시키는 하나 이상의 아이들 기어(idle gear)를 필요에 따라 추가로 배치할 수 있다.

출력부(40)는 감속부(20)의 싸이클로이드 로우터(240)의 로드로 전달받은 토크를 외부로 전달하는 중공형 출력 샤프트(430)와, 이 중공형 출력 샤프트(430)를 둘러싸는 중공형상의 제4 하우징(410)으로 이루어지며, 중공형 출력 샤프트(430)와 환형상 플레이트(420) 사이에 베어링(440)을 개재할 수 있다. 제4 하우징(410)은 이의 전단측에 탈장착가능한 환형상 플레이트(420)를 구비할 수 있고, 환형상 플레이트(420)의 탈장착을 통해 베어링(440), 중공형 출력 샤프트(420) 등의 교체 및/또는 조립을 용이하게 제공할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 중공형 액츄에이터(1)는 링형상의 제1 종동기어(131)와, 중공형 입력 샤프트(230), 싸이클로이드 로우터(240), 부축(260), 링형상의 제3 구동기어(330), 및 중공형 출력 샤프트(430)를 동축선상으로 배열시켜 액츄에이터의 길이방향을 따라 내부 중공부를 형성할 수 있게 되면, 예컨대 중공부로 배선을 배치하여 외부로 케이블 등의 배선 노출을 최소화할 수 있고 액츄에이터의 경량화를 구현할 수 있을 것이다.

선택가능하기로, 제2 기어 트레인(350)은 제3 구동기어(330) 혹은 아이들 기어의 치(齒)와 제3 종동기어(351)의 치 사이에서 발생되는 백래시(backlash) 공간을 최소화시키기 위해 토션 스프링(351c)을 부가한 2중 기어(351a,351b) 형태를 가진 제3 종동기어(351)를 적용할 수 있다. 제3 종동기어(351)는 토션 스프링(351c)의 탄성력으로 주기어(351a)와 보조기어(351b) 사이에 상대적 비틀림을 부여하고 백래시 공간을 줄여서 백래시를 제거할 수 있다. 토션 스프링(351c)의 일 단부는 주기어(351a)의 내측 수용홈에 위치고정되는 한편 토션 스프링(351c)의 타 단부는 보조기어(351b)의 내측 수용홈에 위치고정된다. 주기어(351a)는 동력전달 및 회전가능하게 지지하는 제3 종동축(352) 상에 설치 결합되는 반면에, 보조기어(351b)는 주기어(351a)와 면접상태로 축선상으로 적층배열되고 주기어에 대해 상대적으로 제한된 소정의 회전 각도내에서 회전가능하면서 제3 종동축(352)에 배치된다. 보조기어(351b)는 주기어(351a)와 함께 동일 방향으로 회전하면서 제3 구동기어 혹은 인접해 있는 아이들 기어에 치합될 수 있도록 주기어(351a)와 동일한 크기와 치형을 가진다.

도 7은 제1 기어 트레인의 제2 종동기어에 채용된 제1 엔코더와 제2 기어 트레인의 제3 종동기어에 채용된 제2 엔코더의 출력신호를 도해한 그래프도이다.

비접촉식 엔코더(343,353)의 각 센서(343b,353b) 분해능은 예컨대 14비트(bit)로 16384 펄스값과 2.1972e-2 deg를 갖고 제2 엔코더(353)의 수직형 원통자석(353a)의 회전 비율(N)이 36회인 경우에, 제2 엔코더(353)의 센서 최종 분해능은 6.1035e-4 deg를 갖게 된다.

제2 종동기어(341)는 제3 구동기어(330)와 동일 회전비를 가져서, 제3 구동기어(330)와 제2 종동기어(341)는 1:1 회전비를 갖는다. 즉, 360도 회전했을 때의 제1 엔코더(343)의 펄스값은 최대 펄스값과 같게 된다. 엔코더의 분해능이 14비트라면, 360도에서의 펄스값에 분해능을 곱한 값은 360도라는 것을 의미하게 된다(16384×2.1972e-2=359.98924).

제3 종동기어(351)는 제2 종동기어(341)와 상이한 회전비를 가지며, 구체적으로 제3 구동기어(330)와 제3 종동기어(351)는 1:N 회전비를 갖는다(N>1). 제2 엔코더(353)의 출력신호는 제 3 구동기어(330)가 360도 회전할 때 그 출력신호가 N회 만큼 반복적으로 검출될 것이다. 만약 N=36이라면, 제2 엔코더(353)는 36번 반복적으로 출력신호를 출력하게 될 것인 바, 10도(360/N) 단위의 구간에서 순차적으로 0~16384의 펄스값을 반복적으로 출력하게 된다.

제1 엔코더 및 제2 엔코더를 이용하여 측정된 최종 각도는 아래의 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.

여기서, N은 제3 종동기어의 회전비, S는 제1 엔코더의 출력신호 구간의 섹션값(0 ~ N-1), R은 제2 엔코더 분해능, P는 제2 엔코더의 펄스값이다. 제2 엔코더의 36번째 신호(S=35번째의 선형신호임)에서 최대 펄스값은 16384가 출력되었다면, 제2 엔코더로 측정된 실제 각도는

= 259.9999744로 검출된다.

이상 본 발명은 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1 ----- 중공형 액츄에이터,
10 ----- 구동부,
20 ----- 감속부,
30 ----- 엔코더부,
340 ----- 제1 기어 트레인,
343 ----- 제1 엔코더,
350 ----- 제2 기어 트레인,
353 ----- 제2 엔코더,
40 ----- 출력부.

Claims (10)

1. 구동부(10)와;
   상기 구동부(10)의 입력 토크를 감속하는 감속부(20);
   상기 감속부(20)를 통해 미리 설정된 감속 토크를 전달받아 출력 토크를 중공형 출력 샤프트(430)를 통해 외부로 전달하는 출력부(40); 및
   상기 감속부(20)와 상기 출력부(40) 사이에 배치되고, 상기 중공형 출력 샤프트(430)의 회전 각도를 측정하는 엔코더부(30);를 포함하며,
   상기 엔코더부(30)는,
   상기 중공형 출력 샤프트(420)와 동일 회전비로 회전하는 링형상의 제3 구동기어(330);
   상기 제3 구동기어(330)와 치합되도록 맞물려 회전하는 제2 종동기어(341)와, 상기 제2 종동기어(341)를 회전가능하게 지지하는 제2 종동축(342)을 갖춘 제1 기어 트레인(340); 및
   상기 제2 종동축(342)의 하단부에 배치된 제1 수직형 원통자석(343a)과, 상기 제2 종동축(342)의 하단부에서 소정의 간격을 두고 배치되는 비접촉식 마그네틱 센서(343b)로 구성된 제1 엔코더(343);를 구비하며,
   상기 감속부(20)는,
   중공형상의 제2 하우징(210)과;
   상기 제2 하우징(210) 내부에 배치되어 입력 토크를 전달받는 중공형 입력 샤프트(230);
   상기 중공형 입력 샤프트(230)를 수용하는 중심공(243)과 내부영역에 원주방향으로 등간격되게 배치된 하나 이상의 삽입공(247) 및 가장자리 둘레를 따라 치형돌기를 연속적으로 배치하는 외주면(245)을 갖추고, 상기 중공형 입력 샤프트(230)의 외주면에 편심 회전가능하게 결합된 하나 이상의 싸이클로이드 로우터(240);
   상기 싸이클로이드 로우터(240)의 외주면(245)과 접촉가능하게 상기 제2 하우징(210) 내주면 둘레를 따라 배치되어 있는 다수의 롤러(250);
   상기 삽입공(247)에 안착되어 축선방향으로 돌출되어 있는 다수의 핀(270); 및
   상기 다수의 핀(270)에 결합되어, 상기 제3 구동기어(330)와 상기 중공형 출력 샤프트(430)를 회전구동하는 부축(260);을 구비하는 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터.
2. 구동부(10)와;
   상기 구동부(10)의 입력 토크를 감속하는 감속부(20);
   상기 감속부(20)를 통해 미리 설정된 감속 토크를 전달받아 출력 토크를 중공형 출력 샤프트(430)를 통해 외부로 전달하는 출력부(40); 및
   상기 감속부(20)와 상기 출력부(40) 사이에 배치되고, 상기 중공형 출력 샤프트(430)의 회전 각도를 측정하는 엔코더부(30);를 포함하며,
   상기 엔코더부(30)는,
   상기 중공형 출력 샤프트(420)와 동일 회전비로 회전하는 링형상의 제3 구동기어(330);
   상기 제3 구동기어(330)와 치합되도록 맞물리는 제1 기어 트레인(340)의 말단에 결합되는 제 1 수직형 원통자석(343a)과, 상기 제 1 수직형 원통자석(343a)과 소정의 간격을 두고 배치되는 제 1 비접촉식 마그네틱 센서(343b)로 구성된 제1 엔코더(343);
   상기 제3 구동기어(330)와 치합되도록 맞물리는 제2 기어 트레인(350)의 말단에 결합되는 제2 수직형 원통자석(353a)과, 상기 제2 수직형 원통자석(353a)에 소정의 간격을 두고 배치되는 제2 비접촉식 마그네틱 센서(353b)로 구성된 제2 엔코더(353);를 구비하되,
   상기 제1 기어 트레인(340)과 상기 제2 기어 트레인(250)의 기어비는 1:N(N>1)인 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터.
3. 구동부(10)와;
   상기 구동부(10)의 입력 토크를 감속하는 감속부(20);
   상기 감속부(20)를 통해 미리 설정된 감속 토크를 전달받아 출력 토크를 중공형 출력 샤프트(430)를 통해 외부로 전달하는 출력부(40); 및
   상기 감속부(20)와 상기 출력부(40) 사이에 배치되고, 상기 중공형 출력 샤프트(430)의 회전 각도를 측정하는 엔코더부(30);를 포함하며,
   상기 엔코더부(30)는,
   상기 중공형 출력 샤프트(420)와 동일 회전비로 회전하는 링형상의 제3 구동기어(330);
   상기 제3 구동기어(330)와 치합되도록 맞물려 회전하는 제2 종동기어(341)와, 상기 제2 종동기어(341)를 회전가능하게 지지하는 제2 종동축(342)을 갖춘 제1 기어 트레인(340); 및
   상기 제2 종동축(342)의 하단부에 배치된 제1 수직형 원통자석(343a)과, 상기 제2 종동축(342)의 하단부에서 소정의 간격을 두고 배치되는 비접촉식 마그네틱 센서(343b)로 구성된 제1 엔코더(343);를 구비하며,
   상기 엔코더부(30)는,
   링형상의 제3 하우징(310)과;
   상기 제3 하우징(310)의 하부에 배치된 인쇄회로기판(320);을 더 포함하며,
   상기 비접촉식 마그네틱 센서(343b)는 상기 인쇄회로기판(320)에 실장되며,
   상기 제3 구동기어(330)는 상기 감속부와 상기 중공형 출력 샤프트(420)를 연결하는 다수의 로드(261)에 의해 연결되는 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터.
4. 구동부(10)와;
   상기 구동부(10)의 입력 토크를 감속하는 감속부(20);
   상기 감속부(20)를 통해 미리 설정된 감속 토크를 전달받아 출력 토크를 중공형 출력 샤프트(430)를 통해 외부로 전달하는 출력부(40); 및
   상기 감속부(20)와 상기 출력부(40) 사이에 배치되고, 상기 중공형 출력 샤프트(430)의 회전 각도를 측정하는 엔코더부(30);를 포함하며,
   상기 엔코더부(30)는,
   상기 중공형 출력 샤프트(420)와 동일 회전비로 회전하는 링형상의 제3 구동기어(330);
   상기 제3 구동기어(330)와 치합되도록 맞물려 회전하는 제2 종동기어(341)와, 상기 제2 종동기어(341)를 회전가능하게 지지하는 제2 종동축(342)을 갖춘 제1 기어 트레인(340); 및
   상기 제2 종동축(342)의 하단부에 배치된 제1 수직형 원통자석(343a)과, 상기 제2 종동축(342)의 하단부에서 소정의 간격을 두고 배치되는 제 1 비접촉식 마그네틱 센서(343b)로 구성된 제1 엔코더(343);를 구비하며,
   상기 엔코더부(30)는,
   상기 제3 구동기어(330)와 치합되도록 맞물려 상기 제3 구동기어와 1:N(N>1)의 회전비로 회전하는 제3 종동기어(351)와, 상기 제3 종동기어(351)를 회전가능하게 지지하는 제3 종동축(352)을 갖춘 제2 기어 트레인(350)과;
   상기 제3 종동축(352)의 하단부에 배치된 제2 수직형 원통자석(353a)과, 상기 제3 종동축(352)의 하단부에 소정의 간격을 두고 배치된 제2 비접촉식 마그네틱 센서(353b)로 구성된 제2 엔코더(353);를 포함하는 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1 엔코더(343) 및 상기 제2 엔코더(353)로 측정된 최종 각도는 아래의 수학식 1에 의해 계산되는 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터.
   [수학식 1]
   

   

   
   여기서,
   N은 제3 종동기어의 회전비
   S는 제1 엔코더의 출력신호 구간의 섹션값(0 ~ N-1)
   R은 제2 엔코더 분해능
   P는 제2 엔코더의 펄스값
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 제3 종동기어(351)는 상기 제3 종동축(352) 상에 설치된 주기어(351a)와, 상기 주기어(351a)에서 면접상태로 축선상으로 적층배열되어 있는 보조기어(351b), 및 상기 주기어(351a)와 상기 보조기어(351b) 사이에 개재된 토션 스프링(351c)을 구비하는 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터.
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 구동부(10)는,
   제1 하우징(110) 내부에 방사상으로 분산배치된 복수의 모터(M)와;
   상기 모터(M)의 토크를 전달하는 링형상의 제1 종동기어(131)와, 상기 제1 종동기어(131)와 치합가능하도록 상기 모터(M)의 샤프트에 결합되어 있는 제1 구동기어(132)를 갖춘 동력전달부(130);를 구비하는 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터.
8. 청구항 2에 있어서,
   상기 감속부(20)는,
   중공형상의 제2 하우징(210)과;
   상기 제2 하우징(210) 내부에 배치되어 입력 토크를 전달받는 중공형 입력 샤프트(230);
   상기 중공형 입력 샤프트(230)를 수용하는 중심공(243)과 내부영역에 원주방향으로 등간격되게 배치된 하나 이상의 삽입공(247) 및 가장자리 둘레를 따라 치형돌기를 연속적으로 배치하는 외주면(245)을 갖추고, 상기 중공형 입력 샤프트(230)의 외주면에 편심 회전가능하게 결합된 하나 이상의 싸이클로이드 로우터(240);
   상기 싸이클로이드 로우터(240)의 외주면(245)과 접촉가능하게 상기 제2 하우징(210) 내주면 둘레를 따라 배치되어 있는 다수의 롤러(250);
   상기 삽입공(247)에 안착되어 축선방향으로 돌출되어 있는 다수의 핀(270); 및
   상기 다수의 핀(270)에 결합되어, 상기 제3 구동기어(330)와 상기 중공형 출력 샤프트(430)를 회전구동하는 부축(260);을 구비하는 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 중공형 입력 샤프트(230)는 상기 싸이클로이드 로우터를 안착할 수 있게 외주면에 편심된 단차부를 형성하는 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터.
10. 청구항 2에 있어서,
    상기 출력부(40)는,
    상기 감속부(20)로부터 전달받은 감속 토크를 외부로 전달하는 중공형 출력 샤프트(430)와;
    상기 중공형 출력 샤프트(420)를 수용하는 중공형상의 제4 하우징(410); 및
    상기 제4 하우징(410)의 개방 후단측에 탈장착되어 있는 환형상 플레이트(420);을 구비하는 고성능 비접촉식 엔코더를 갖춘 중공형 액츄에이터.

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