KR102225285B1 - 클러치 기능을 갖는 전동기 - Google Patents

Abstract

전동기는 구동유닛, 구동유닛 및 대상체와 연결되어, 선택적으로 동력전달을 차단하는 클러치유닛을 포함하고, 클러치유닛은 구동유닛에 연결되고, 클러치쉘을 구비하는 이너레이스, 클러치쉘의 회전력을 출력하는 아우터레이스, 클러치쉘과 아우터레이스 사이에 원주 방향으로 배치되어 아우터레이스로 회전력을 전달하는 복수의 롤러, 복수의 롤러 간격을 유지하며 회전하는 전기자 및 전기자의 회전을 단속하여, 아우터레이스에서 이너레이스로 입력되는 회전력을 선택적으로 차단하는 솔레노이드를 포함한다.

Description

클러치 기능을 갖는 전동기{MOTOR}

본 발명은 클러치 기능을 갖는 전동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 필요에 따라 동력을 전달하거나 차단할 수 있는 클러치 기능을 갖는 전동기에 관한 것이다.

주지한 바와 같이, 전동기는 전기에너지를 역학적에너지로 바꾸는 장치로서 기계 및 전기 공학 분야의 기술에 널리 사용되고 있다.

근래에는 2차 전지의 발전과 더불어 전기자동차, 퍼스널모빌리티, 디지털도어락 등 종전에는 기계장치로 이루어지던 다양한 장치들에서 전동기를 채택하여 사용하고 있다.

그러나, 이러한 장치들에서 전동기는 단순히 구동력을 제공할 뿐이었다. 특히, 퍼스널 모빌리티의 경우 전지가 방전되는 경우 사용자가 끌고 가야하는 상황이 발생하는 이때, 감속기 및 전동기를 회전시켜야 하므로 사용자에게 불편함을 줄 수 있었으며, 이는 전동기의 출력에 따라 크기가 대형화되기 때문에 좋은 출력을 가진 전동기일수록 끌고가는데 더 불편함이 발생할 수 있었다.

한편, 근래에는 어떤 특정한 환경이나 상황을 컴퓨터로 만들어서, 그것을 사용하는 사람이 마치 실제 주변 상황 또는·환경과 상호작용을 하고 있는 것처럼 만들어 주는 인간과 컴퓨터 사이의 인터페이스를 일컫는 가상현실에 대한 기술이 널리 개발되고 있다.

상술한 분야의 종래 기술로서, 대한민국 공개특허 제10-2009-0014321호(공개일자 2009년02월10일) ‘가상현실 기반의 햅틱 시스템’이 개시되어 있다.

그러나 종래 기술을 몸에 부착하거나 착용하여 사용하는 웨어러블 디바이스(wearable devices)에 적용할 경우, 감속기어를 갖는 모터의 구동에 의해 사용자에게 포스 피드백(force feedback)을 제공할 수는 있으나, 반대의 경우 사용자가 움직일 때 힘을 주어 모터의 감속기를 움직여야 하므로 사용이 불편하고 촉감을 떨어뜨리는 등의 문제점이 있었다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다. [[배경기술에 기재한 내용이 공개된 것인지 여부가 불명확할 경우에 기재할 것. 배경기술 관련 최신 판례: 대법원 2017. 1. 19. 선고 2013후37 전원합의체 판결]]

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 구동유닛의 구동에 의해 사용자에게 동력을 전달하거나 반대로 사용자에 의해 장치가 움직일 때 동력 전달을 차단할 수 있는 클러치 기능을 갖는 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 클러치 기능을 갖는 전동기에 대해 설명한다.

클러치 기능을 갖는 전동기는 구동유닛 및 상기 구동유닛과 연결되어 선택적으로 동력전달을 차단하는 클러치유닛을 포함하고, 상기 클러치유닛은 상기 구동유닛에 연결되고, 클러치쉘을 구비하는 이너레이스, 상기 클러치쉘의 회전력을 외부로 출력하는 아우터레이스, 상기 클러치쉘과 아우터레이스 사이에 원주 방향으로 배치되어 아우터레이스로 회전력을 전달하는 복수의 롤러, 상기 복수의 롤러의 간격을 유지하며 회전하는 간격유지부 및 상기 간격유지부의 회전을 단속하여, 상기 아우터레이스에서 이너레이스로 입력되는 회전력을 선택적으로 차단하는 회전단속부를 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 이너레이스는 상기 구동유닛에 연결되는 구동피니언을 포함하고, 상기 아우터레이스는 외부대상체와 연결되는 종동피니언을 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 이너레이스는, 상기 클러치유닛을 수용하는 하우징에 고정된 클러치샤프트의 외주에 회전가능하게 설치된 슬리브, 상기 슬리브의 일측에 구비되어 상기 구동유닛에 연결되는 구동피니언 및 상기 슬리브의 타측에 구비되어 구동피니언과 같이 회전하는 클러치쉘을 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 간격유지부는 상기 클러치쉘이 인접되도록 상기 슬리브의 외주에 회전가능하게 설치된 전기자이고, 상기 회전단속부는 상기 전기자에 인접되도록 슬리브의 외주에 끼워져 상기 하우징에 고정되는 솔레노이드일 수 있다.

일측에 따르면, 상기 간격유지부는 상기 클러치쉘이 인접되도록 상기 슬리브의 외주에 회전가능하게 설치되고, 상기 회전단속부는 전기가 인가되면 상기 간격유지부의 회전을 단속할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 클러치쉘은, 복수의 롤러에 대응 및 접촉되도록 접촉면을 갖는 다각형의 판재 형상으로 형성되고, 상기 접촉면에는 상기 롤러의 외주 사이에 간극을 형성하도록 내측으로 만곡된 단곡면이 형성될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 간격유지부는 복수의 롤러의 간극을 유지하는 리테이너를 더 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 클러치유닛과 연결되고, 상기 구동유닛의 회전속도를 감속시키는 감속기어유닛을 더 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 클러치유닛은 상기 간격유지부와 인접하게 배치되고, 상기 구동유닛의 최초 구동 시 상기 간격유지부의 회전을 일부 단속하여, 상기 아우터레이스에 회전력을 전달하도록 상기 복수의 롤러의 회전력 전달 상태를 변환하는 영구자석을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 클러치 기능을 갖는 전동기는 구동유닛 및 상기 구동유닛과 연결된 이너레이스와 상기 구동유닛의 회전력을 외부로 출력하는 아우터레이스 사이에서 회전력을 전달하는 복수의 롤러의 회전력 전달상태를 변환하여 상기 구동유닛 또는 외력의 회전력을 선택적으로 전달 또는 차단하는 것을 특징으로 하는 클러치유닛을 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 이너레이스는, 클러치쉘을 구비하고, 상기 복수의 롤러는 상기 클러치쉘과 상기 아우터레이스 사이에 원주방향으로 배치되어 선택적으로 회전력을 전달하고, 상기 클러치유닛은, 상기 복수의 롤러의 간격을 유지하며 회전하는 간격유지부 및 상기 간격유지부의 회전을 단속하여, 상기 복수의 롤러의 회전력 전달상태를 선택적으로 변환하는 회전단속부를 더 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 이너레이스는 상기 구동유닛에 연결되는 구동피니언을 포함하고, 상기 아우터레이스는 외부대상체와 연결되는 종동피니언을 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 이너레이스는, 상기 클러치유닛을 수용하는 하우징에 고정된 클러치샤프트의 외주에 회전가능하게 설치된 슬리브, 상기 슬리브의 일측에 구비되어 상기 구동유닛에 연결되는 구동피니언 및 상기 슬리브의 타측에 구비되어 구동피니언과 같이 회전하는 클러치쉘을 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 간격유지부는 상기 클러치쉘이 인접되도록 상기 슬리브의 외주에 회전가능하게 설치된 전기자이고, 상기 회전단속부는 상기 전기자에 인접되도록 슬리브의 외주에 끼워져 상기 하우징에 고정되는 솔레노이드일 수 있다.

일측에 따르면, 상기 간격유지부는 상기 클러치쉘이 인접되도록 상기 슬리브의 외주에 회전가능하게 설치되고, 상기 회전단속부는 상기 간격유지부와 적어도 일부가 연결되고, 전기가 인가되면 상기 간격유지부의 회전을 단속할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 클러치쉘은, 복수의 롤러에 대응 및 접촉되도록 접촉면을 갖는 다각형의 판재 형상으로 형성되고, 상기 접촉면에는 상기 롤러의 외주 사이에 간극을 형성하도록 내측으로 만곡된 단곡면이 형성될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 간격유지부는 복수의 롤러의 간격을 유지하는 리테이너를 더 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 클러치유닛은, 상기 간격유지부와 인접하게 배치되고, 상기 구동유닛의 최초 구동 시, 상기 간격유지부의 회전을 일부 단속하여 상기 아우터레이스에 회전력을 전달하도록 상기 복수의 롤러의 회전력 전달 상태를 변환하는 영구자석을 더 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 클러치유닛과 연결되고, 상기 구동유닛의 회전속도를 감속시키는 감속기어유닛을 더 포함할 수 있다.

상술한 해결 수단으로 구현된 본 발명에 따르면, 구동유닛의 구동에 의해 사용자에게 동력을 전달하거나, 반대로 사용자에 의해 장치가 움직일 때 클러치유닛에 의해 구동유닛으로 전달되는 동력을 차단할 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.

도 1은 일 실시예에 의한 전동기의 결합 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 의한 전동기의 분해 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 의한 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 의한 클러치유닛을 확대한 단면도이다.
도 5는 롤러의 쐐기 작용시의 상태를 나타내는 도 4의 B-B선 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 의한 도 5의 ‘C’ 부분의 확대도이다.
도 7은 일 실시예에 의한 롤러의 아이들(idle) 상태를 나타내는 도 4의 B-B선 단면도이다.
도 8은 일 실시예에 의한 도 7의 ‘D’ 부분의 확대도이다.
도 9는 다른 실시예에 의한 클러치유닛을 확대한 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 의한 솔레노이드를 확대한 사시도이다.

이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 의한 전동기의 결합 사시도이고, 도 2는 일 실시예에 의한 전동기의 분해 사시도이고, 도 3은 일 실시예에 의한 도 1의 A-A선 단면도이고, 도 4는 일 실시예에 의한 클러치유닛을 확대한 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 클러치기능을 갖는 전동기는 하우징(100), 하우징(100)에 설치되는 구동유닛(200), 외부 대상체(미도시)와 연결되어 구동유닛(200)의 동력 또는 외부 대상체로부터 전달되는 외력을 선택적으로 차단하는 클러치유닛(400)을 포함한다. 또한, 클러치 기능을 갖는 전동기는 외부대상체와 클러치유닛사이에서 구동유닛(200)의 회전속도를 감속시키는 감속기어유닛(300)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 외부 대상체는 전동기(200)와 연결되어 외부로 전동기의 회전력을 제공하는 기어, 휠, 풀리 등일 수 있다.

하우징(100)은 구동유닛(200)과 감속기어유닛(300) 및 클러치유닛(400)을 수용하는 구조물로서 전동기의 외관을 형성한다. 하우징(100)은 어퍼하우징(110), 로워하우징(120) 및 미들하우징(130)을 포함한다.

미들하우징(130)의 상부 우측에는 구동유닛(200)이 장착되고, 상부 좌측에는 감속기어유닛(300)이 장착되며, 상부 중앙에는 클러치유닛(400)이 장착된다. 그리고 미들하우징(130)에 장착된 구동유닛(200)과 감속기어유닛(300) 및 클러치유닛(400)은 어퍼하우징(110) 및 로워하우징(120)에 의해 상부 및 하부가 마감되게 수용된다.

구동유닛(200)은 전기에너지로부터 회전력을 얻는다. 예를 들어, 구동유닛(200)은 전기가 인가되면 회전력을 발생하는 모터일 수 있다. 구동유닛(200)의 하부에는 구동유닛축(210)이 연결된다. 또한, 구동유닛축(210)에는 구동기어(220)가 설치되어 회전력을 전달한다.

감속기어유닛(300)은 구동유닛(200)의 회전속도를 감속시키는 구성이다. 감속기어유닛(300)은 제1 감속기어(310) 및 제2 감속기어(320)를 포함한다.

제1 감속기어(310)는 어퍼하우징(110)과 미들하우징(130) 사이에 수직으로 회전 가능하게 연결된 제1 감속기어축(311)에 설치된 스퍼기어(spur gear)로 구현된다. 제1 감속기어축(311)의 상부에는 제1 스퍼기어(312)가 설치되어 클러치유닛(400)의 종동피니언(431)에 맞물린다. 제1 감속기어축(311)의 하부에는 제2 스퍼기어(313)가 설치되어 제2 감속기어(320)로 회전력을 전달하게 된다.

제1 스퍼기어(312)와 제2 스퍼기어(313)는 기어의 지름 및 이의 개수가 상이하게 형성될 수 있다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 스퍼기어(312)는 제2 스퍼기어(313) 보다 지름이 크고 이의 개수가 많게 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 스퍼기어(312)와 제2 스퍼기어(313)는 감속, 가속 또는 동일한 속도로 회전력을 전달하기 위해 지름 및 이의 개수가 적절히 변형될 수 있다.

제2 감속기어(320)는 미들하우징(130)의 상부에 수직으로 형성된 제2 감속기어축(321)에 설치된 스퍼기어로 구현된다. 제2 감속기어(320)는 제1 감속기어(310)에서 감속된 회전력을 적절한 회전력으로 감속시켜서 출력한다. 여기서, 제2 감속기어축(321)의 하부에는 제3 스퍼기어(322)가 설치되어 제1 감속기어(310)의 제2 스퍼기어(313)에 맞물린다. 그리고, 제2 감속기어축(321)의 상부에는 제4 스퍼기어(323)가 설치되어 연결된 다른 구성요소로 회전력을 출력하게 된다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 각각의 기어는 회전운동을 전달하기 위한 것으로써 헬리컬 기어 등과 같이 적절히 변형이 가능할 수 있다.

클러치유닛(400)은 구동유닛(200)과 감속기어유닛(300) 사이에 연결되어 필요에 따라 동력을 전달하거나 차단한다. 클러치유닛(400)은 클러치샤프트(410), 클러치샤프트(410)에 회전 가능하게 설치된 구동피니언(422) 및 클러치쉘(423)을 갖는 이너레이스(420), 종동피니언(431)을 갖는 아우터레이스(430), 클러치쉘(423)과 아우터레이스(430) 사이에 배치되는 복수의 롤러(440), 리테이너(451)를 갖는 간격유지부(450) 및 회전단속부(460)을 포함한다.

클러치샤프트(410)는 클러치유닛(400)의 중심축일 수 있다. 클러치샤프트(410)의 상단부는 어퍼하우징(110)에 연결되고 하단부는 로워하우징(120)에 연결되어 하우징(100)에 고정된다. 클러치샤프트(410)는 외주면의 단면이 원형의 단면을 가져 클러치유닛(400)이 회전되는 회전 중심축을 형성할 수 있다.

이너레이스(420)는 클러치샤프트(410)에 회전가능하게 설치된 슬리브(421), 슬리브(421)의 하부에 구비되어 구동유닛(200)에 연결되는 구동피니언(422), 슬리브(421)의 상부에 구비되어 구동피니언(422)과 같이 회전하는 클러치쉘(423)을 포함한다.

슬리브(421)는 원통형으로 형성된다. 슬리브(421)의 내주는 클러치샤프트(410)의 외주에 회전 가능하게 설치된다.

구동피니언(422)은 슬리브(421)의 하부에 일체로 구비되어 구동유닛(200)의 구동기어(220)에 연결된다. 구동피니언(422)은 구동유닛(200)의 회전에 따라 이너레이스(420)를 회전시킨다. 이때, 구동피니언(422)과 구동기어(220) 사이에는 감속 또는 가속시킬 수 있는 기어유닛(230)이 연결될 수 있다.

다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 슬리브(421)는 상부슬리브 및 하부슬리브로 구성되어 상부슬리브와 하부슬리브가 맞물려 회전하는 형태로 구성하는 것도 가능할 수 있다.

클러치쉘(423)은 슬리브(421)의 상부에 일체로 구비되어 구동피니언(422)과 같이 회전된다.

도 5는 일 실시예에 의한 롤러의 쐐기작용 시의 상태를 나타내는 도 4의 B-B선 단면도이고, 도 6은 일 실시예에 의한 도 5의 ‘C’ 부분의 확대도이며, 도 7은 일 실시예에 의한 롤러의 상시 상태를 나타내는 도 4의 B-B선 단면도이고, 도 8은 일 실시예에 의한 도 7의 ‘D’ 부분의 확대도이다.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 클러치쉘(423)은 복수의 롤러(440)에 대응되도록 대략 평면상 다각형을 이루는 판재 형상으로 형성된다. 클러치쉘(423)의 모서리는 만곡되게 형성되어 아우터레이스(430)와 접촉을 방지한다. 또한, 클러치쉘(423)은 롤러(440)에 접촉되는 다각형의 접촉면(423a) 중앙에는 내측으로 만곡된 단곡면(423b)이 형성되어 롤러(440)의 외주 사이에 소정 간극을 형성하게 된다. 단곡면(423b)과 롤러(440)사이의 간극은 롤러(440)가 아이들(idle) 상태를 형성할 수 있을 정도의 간극일 수 있다. 여기서, 아이들(idle) 상태라 함은 롤러(440)가 아우터레이스(430)와 이너레이스(420) 사이에서 자유회전이 가능하여 외력에 의한 아우터레이스(430)의 회전력이 이너레이스(420)로 전달되는 것이 차단된 상태를 의미한다

실시 예에서, 클러치쉘(423)에 모서리가 만곡되는 것으로 도시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시 예에서 만곡된 단곡면(423b)이 형성되는 것으로 도시하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 접촉면(423a)이 직선이어도 가능하다.

아우터레이스(430)는 내면이 원형을 이루어 클러치쉘(423)을 수용하도록 형성되어 클러치샤프트(410)의 상부에 회전 가능하게 설치된다. 아우터레이스(430)의 상부에는 종동피니언(431)이 일체로 구비되어 같이 회전하게 된다. 종동피니언(431)은 감속기어유닛(300)과 연결된다.

복수의 롤러(440)는 클러치쉘(423)과 아우터레이스(430)의 내면 사이에 원주 방향을 따라 소정 간격으로 배치된다. 복수의 롤러(440)는 클러치쉘(423)과 아우터레이스(430)의 내면 사이에서 회전력 전달상태가 변환된다. 예를 들어, 복수의 롤러(440)는 클러치쉘(423) 외면과 아우터레이스(430)의 외면 사이에서는 끼임을 형성 또는 제거하여 클러치쉘(423)에서 발생된 회전력을 아우터레이스(430)로 전달하거나, 아이들(idle) 상태를 형성하여 회전력을 차단하게 된다. 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 롤러(440)가 클러치쉘(423)과 아우터레이스(430) 사이에서 쐐기작용 즉 끼임을 형성하는 경우에는, 이너레이스(420)와 아우터레이스(430)는 일체가 되어 같이 회전할 수 있다.

이와는 반대로, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 롤러(440)가 단곡면(423b)상에 위치될 때, 즉, 클러치쉘(423)과 아우터레이스(430)사이에서 끼임이 제거되면, 롤러(440)가 아이들(idle) 상태를 형성하여 외력의 의해 아우터레이스(430)에서 이너레이스(420)로 입력되는 회전력이 이너레이스(420)에 전달되지 않을 수 있다.

간격유지부(450)는 대략 원판형으로 형성되어 클러치쉘(423)의 저면에 인접되도록 이너레이스(420)의 슬리브(421) 외주에 회전가능 하게 설치된다. 그리고 간격유지부(450)의 상부에는 링(ring) 형상의 리테이너(451)가 형성되어 롤러(440)의 간격을 유지하고 이탈을 방지하는데, 이를 위해 리테이너(451)에는 동일한 간격으로 수용홈(451a)이 형성되어 롤러(440)를 수용하게 된다.

여기서 간격유지부(450)는 자력에 반응하는 자성체인 전기자(450)일 수 있다. 예를 들어, 전기자(450)는 후술하는 회전단속부(460)가 솔레노이드(460)이고 솔레노이드(460)의 자력에 의해 솔레노이드(460) 쪽으로 당겨지는 금속재질일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 전기자(450)는 솔레노이드(460)의 극성에 따라 이동하는 영구자석인 것도 가능하다.

회전단속부(460)은 솔레노이드일 수 있다. 솔레노이드(460)는 이너레이스(420)의 슬리브(421) 외주에 끼워져 미들하우징(130)에 고정된다. 솔레노이드(460)는 회전이 불가능하도록 미들하우징(130)에 고정된다. 그리고, 슬리브(421)는 솔레노이드(460)의 내주에서 회전 가능하게 결합된다. 또한, 솔레노이드(460)는 전기자(450)의 저면에 인접하도록 배치된다.

솔레노이드(460)는 전기자(450)의 회전을 단속하여, 복수의 롤러(440)의 회전력 전달 상태를 변환한다. 여기서, 복수의 롤러(440)의 상태변환은 복수의 롤러(440)가 아우터레이스(430)와 클러치쉘(423) 사이에서 쐐기 작용하여 회전력을 전달하거나 상태 또는 아이들(idle) 상태로 변환되는 것을 의미한다.

솔레노이드(460)는 상시 전기자(450)를 무저항상태로 유지하여 클러치쉘(423)의 회전에 따라 전기자(450)가 회전된다. 이때, 롤러(440)는 클러치쉘(423)과 아우터레이스(430) 사이에서 자전이 가능한 상태로 유지되어서, 이너레이스(420) 과 아우터레이스(430)은 회전력이 차단된 상태를 유지한다.

솔레노이드(460)는 자력을 생성하여 전기자(450)를 당겨 마찰 또는 자력에의한 저항을 발생시킬 수 있다. 이 경우, 솔레노이드(460)와 전기자(450)사이에서 마찰저항이 강해지고, 전기자(450)는 클러치쉘(423)보다 회전속도가 느려지게 된다. 이러한 전기자(450)와 클러치쉘(423)은 회전속도 차이에 의해 이너레이스(420)와 아우터레이스(430) 사이를 결합하거나 차단하는 역할을 한다. 다시 말하면, 전기자(450)의 리테이너(451)의 회전이 느려짐으로 인해 롤러(440)의 이동이 일시적으로 느려지며 클러치쉘(423)의 회전력에 의해 클러치쉘(423)과 아우터레이스(430) 사이에서 끼임이 발생한다.

본 실시 예에서, 간격유지부(450)은 전기자로 도시하고 회전단속부(460)는 은 전기자(450)으로 도시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다. 간격유지부(450)는 롤러의 간격을 유지하고 회전하는 모든 수단이 가능할 수 있으며, 회전단속부(460)는 간격유지부(450)에 캠을 구비하여 전기가 인가되면 캠의 일부분을 간격유지부(450)에 접촉시켜 순간적인 부하를 생성하는 모터 등의 회전을 단속하는 모든 수단이 가능할 수 있다. 또한, 회전단속부(460)는 전기가 인가되면 간격유지부(450)와 접촉하여 회전을 단속하는 전자실린더 등의 신축수단도 가능할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 첨부된 도 5 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다. 우선, 구동유닛(200)의 회전력이 클러치유닛(400)을 통해 감속기어유닛(300)으로 전달되는 작용을 살펴보면 다음과 같다. 구동유닛(200)의 구동에 의해 발생된 어느 한 방향으로 회전하는 회전력은 구동기어(220)에 맞물린 기어유닛(230)을 통해 이너레이스(420)의 구동피니언(422)으로 전달된다. 이너레이스(420)로 전달된 회전력에 의해 클러치쉘(423)은 구동피니언(422)과 같이 회전한다. 이때, 클러치쉘(423)은 롤러(440)를 밀어 전기자(450)를 회전시킨다. 하지만, 롤러(440)는 아이들(idle) 상태를 형성하게 되므로, 아우터레이스(430)에 회전력이 전달되지는 않는다.

여기서, 솔레노이드(460)는 자력을 생성하여 전기자(450)를 잡아당기게 된다. 이 경우, 전기자(450)와 솔레노이드(460) 사이에 저항이 발생한다. 전기자(450)는 발생한 저항에 의해 회전속도가 감소되고 이너레이스(420)의 클러치쉘(423)과 속도차이가 발생한다. 클러치쉘(423)은 전기자(450)에 의해 속도가 감소된 롤러(440)를 외측으로 밀게 되고 도 5에 도시된 바와 같이 롤러(440)는 이너레이스(420)와 아우터레이스(430) 사이에서 쐐기작용을 하게 된다.

이 후, 솔레노이드(460)는 자력 발생이 차단되고, 전기자(450)는 무저항 상태로 회전하게 된다. 즉, 이너레이스(420)와 롤러(440)와 전기자(450) 및 아우터레이스(430)는 일체가 되어 함께 회전하게 된다. 이너레이스(420)와 아우터레이스(430)는 동일한 방향으로 회전된다.

결국, 아우터레이스(430)로 전달된 회전력은 종동피니언(431)을 통해 감속기어유닛(300)으로 전달되어서, 웨어러블 인터페이스 디바이스 사용자에게 포스 피드백을 제공하거나, 전기 자동차, 퍼스널 모빌리티에 동력을 제공할 수 있게 된다. 상술한 회전력의 전달은 반대 방향의 경우도 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

반대로, 상술한 바와 같이 구동유닛(200)의 회전력이 클러치유닛(400)을 통해 감속기어유닛(300)으로 전달되는 상황에서, 외력에 의해 아우터레이스(430)의 회전력이 발생할 수 있다. 여기서, 외력의 의한 아우터레이스(430)의 회전방향은 이너레이스(420)의 회전방향과 동일한 방향을 가진다.

이 때, 구동유닛(200)의 구동을 정지하는 동시에 솔레노이드(460)에 전기를 인가하여 전기자(450)에 저항을 발생시키면, 전기자(450)가 감속된다. 여기서, 아우터레이스(430)의 회전속도가 외력에 의해 전기자(450)보다 빠르게 형성되면, 롤러(440)는 도 8에 도시된 바와 같이 아이들(idle) 상태를 형성한다. 이에 따라, 외력에 의한 아우터레이스(430)의 회전력은 이너레이스(420)에 전달되지 않는 상태가 된다. 이 후, 솔레노이드(460)에 자력 발생을 차단하면 전기자(450)는 솔레노이드(460)와 다시 무저항상태가 된다.

이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 리테이너(451)에 의해 유지된 롤러(440)가 아이들(idle) 상태를 이루어 이너레이스(420)와 아우터레이스(430) 사이의 결합은 차단되므로, 이른바 자유상태로 전환된다. 자유상태로 전환된 클러치 기능을 가지는 전동기는 사용자의 움직임에 의한 외력이 클러치유닛(400)을 통해 전달되지 않는다. 즉, 자유상태로 전환된 클러치 기능을 가지는 전동기는 웨어러블 인터페이스 디바이스에 포스 피드백이 작용하지 않도록 하여 사용자로 하여금 자유로운 움직임이 가능하게 할 수 있다. 또한, 퍼스널 모빌리티 사용자에게는 퍼스널 모빌리티를 끌고 가야하는 경우에 감속기어유닛을 회전시키는 힘 및 모터를 회전시키는 부하가 사용자에게 전달되는 것을 차단하여 사용자에게 운반의 편의를 제공할 수 있다.

또한, 구동유닛(200)의 회전력이 클러치유닛(400)을 통해 감속기어유닛(300)으로 전달되는 상황에서, 솔레노이드(460)에 순간적으로 자력이 인가하여 전기자(450)를 단속하고, 구동유닛(200)을 역방향으로 회전시킬 수 있다. 이 경우, 전기자(450)는 일시적으로 감속되고, 클러치쉘(423)이 역방향으로 회전되며, 복수의 롤러(440)를 아이들(idle) 상태로 형성한다. 이러한 과정을 통해. 이너레이스(420)와 아우터레이스(430) 사이의 회전력 전달이 차단되어, 자유상태로 전환된다. 이 경우, 아우터레이스(430)의 회전방향과 관계없이 회전력 전달의 차단이 가능할 수 있다.

다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 회전력이 클러치유닛(400)을 통해 감속기어유닛(300)으로 전달되는 상황에서, 외력에 의해 아우터레이스(430)의 회전력이 이너레이스(420)의 회전력보다 큰 힘이 발생할 수 있다. 이 때, 아우터레이스(430)의 회전속도가 이너레이스(420)의 회전속도보다 빠르게 형성되어서, 복수의 롤러(440)가 아이들(idle) 상태를 형성할 수 있다. 여기서, 전기자(450)를 단속하면 구동유닛(200)을 감속하여 아우터레이스(430)와 순간적인 회전 속도차가 발생하여서, 복수의 롤러(440)가 아이들(idle) 상태를 보다 용이하게 형성할 수 있다.

한편, 클러치유닛(400)을 통해 아우터레이스(430)와 이너레이스(420)가 연결된 상황에서 구동유닛(200)을 정지하면, 아우터레이스(430)는 구동유닛(200)가 정지한 상태에서 외력에 의해 회전될 수 있다. 이 때, 웨어러블 인터페이스 장치는 정지된 구동유닛(200)을 회전시키 위한 부하가 포스 피드백으로 작용할 수 있다. 또한, 퍼스널 모빌리티에는 정지 시에 모터 및 감속기를 회전시키기 위한 부하를 발생하여 자동차의 엔진브레이크와 유사한 기능을 제공할 수 있다.

이 경우, 아우터레이스(430)는 단곡면(423b)으로부터 롤러(440)가 쐐기작용을 하도록 치우친 방향으로 외력에 의한 회전력이 형성되는 경우에만 가능하다. 실시 예에 따른 전동기는 아우터레이스(430)의 외력에 의한 회전 방향에 따라, 롤러(440)가 쐐기 작용을 하기위해 단곡면(423b)으로부터 치우친 방향이 변경되도록, 솔레노이드(460) 및 구동유닛(200)의 회전방향을 조절할 수 있도록 구성이 가능할 수 있다.

실시 예에 따른 클러치 기능을 갖는 전동기는 구동유닛(200)이 작동되어 아우터레이스(430)에 회전력이 전달되어서 구동유닛(200)의 회전력이 포스 피드백이 사용자에게 구현되는 상태, 구동유닛(200)이 정지하고 아우터레이스(430)와 이너레이스(420)에 롤러(440)가 쐐기작용을 하여 구동유닛(200)을 수동으로 회전시키기 위한 포스 피드백이 사용자에게 구현되는 상태 및 아우터레이스(430)의 회전력이 이너레이스(420)에 전달되지 않는 자유 상태를 구현할 수 있다. 또한, 사용자는 자유상태에서 조작하면 구동유닛(200)과 클러치유닛(400) 사이의 구성요소를 회전시키지 않는다. 따라서, 사용자는 자유상태에서 감속기 유닛(300) 및 구동유닛(200)을 회전시키기 위한 힘을 주지 않아도 되므로 보다 작은 힘으로 웨어러블 인터페이스 디바이스 또는 퍼스널 모빌리티 등의 장치를 조작하는 것이 가능하여 최소한의 힘으로 조작이 가능할 수 있다.

이하에서는 도 9 및 도 10을 참조하여, 다른 실시예에 의한 클러치기능을 갖는 전동기에 대해 설명한다. 도 9 및 도 10의 실시예에 의한 클러치기능을 갖는 전동기는 도 1 내지 도 8의 실시예의 전동기와 비교하여, 솔레노이드(560)에 구비되는 영구자석(570)에 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하고, 동일한 구성요소에 대해 설명을 생략한다. 도 9는 다른 실시예에 의한 클러치유닛을 확대한 단면도이고, 도 10은 다른 실시예에 의한 솔레노이드를 확대한 사시도이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 클러치유닛(500)은 클러치샤프트(510), 클러치샤프트(510)에 회전가능하게 설치된 구동피니언(522) 및 클러치쉘(523)을 갖는 이너레이스(520), 종동피니언(531)을 갖는 아우터레이스(530), 클러치쉘(523)과 아우터레이스(530) 사이에 배치되는 복수의 롤러(540), 리테이너(551)를 갖는 전기자(550), 솔레노이드(560) 및 영구자석(570)을 포함한다.

영구자석(570)은 솔레노이드(560)의 전기자(550)쪽 면에 삽입 배치된다. 예를 들어, 영구자석(570)은 환형으로 형성되어서 솔레노이드(560)의 전기자(550)쪽 면에 삽입 배치된다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 영구자석(570)은 원통형으로 형성되어 복수 개가 솔레노이드(560)의 둘레를 따라 방사상으로 배치되는 것도 가능할 수 있다.

영구자석(570)의 직경은 솔레노이드(560) 및 전기자(550)의 외주보다 작은 직경을 가질 수 있다. 또한, 영구자석(570)의 상단면은 전기자(550)와 접촉될 수 있는 높이로 형성될 수 있다.

다만 이에 한정되는 것은 아니며, 솔레노이드(560)의 전기자(550)쪽 면보다 낮은 높이로 형성되는 것도 가능하다. 이 경우, 솔레노이드(560)와 전기자(550)가 접촉하여 저항이 형성될 수 있다.

영구자석(570)은 전기자(550)와 자력을 형성하여, 전기자(550)를 잡아당겨 저항을 형성한다. 여기서, 영구자석(570)은 롤러(540)가 쐐기작용을 할 수 있는 자력을 가진다. 다시 말하면, 영구자석(570)은 전기자(550)를 잡아당겨 구동유닛(200)이 회전되는 순간에 전기자(550)와 클러치쉘(523)의 순간적인 속도차이를 만든다. 이때, 롤러(540)는 클러치쉘(523)과 아우터레이스(530) 사이에서 쐐기 작용을 할 수 있게 된다. 이 때, 영구자석(570)이 구동유닛(200)의 회전력보다 전기자(550) 사이의 저항이 작도록 자력을 갖도록 형성하므로써, 전기자(550), 이너레이스(520) 및 아우터레이스(530)는 함께 회전할 수 있다.

영구자석(570)은 솔레노이드(560)의 작동없이 롤러(540)의 쐐기 작용을 형성하여 이너레이스(520)의 회전력을 아우터레이스(530)를 전달할 수 있다. 솔레노이드(560)를 작동시키는 경우에 롤러(540)의 쐐기 작용을 더 강하게 할 수 있다.

롤러(540)를 아이들(idle) 상태를 형성하는 과정 및 솔레노이드(560)와 전기자(550)의 저항에 의한 부하를 형성하는 과정은 일 실시예와 동일한 구성요소를 포함하고 있으므로 설명을 생략한다.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

100 : 하우징 200 : 구동유닛
300 : 감속기어유닛 310 : 제1 감속기어
320 : 제2 감속기어 400 : 클러치유닛
410 : 클러치샤프트 420 : 이너레이스
422 : 구동피니언 423 : 클러치쉘
430 : 아우터레이스 431 : 종동피니언
440 : 롤러 450 : 전기자

Claims (19)

1. 구동유닛; 및
   상기 구동유닛과 연결되어, 선택적으로 동력전달을 차단하는 클러치유닛;
   을 포함하고,
   상기 클러치유닛은,
   상기 구동유닛에 연결되고, 클러치쉘을 구비하는 이너레이스;
   상기 클러치쉘의 회전력을 외부로 출력하는 아우터레이스;
   상기 클러치쉘과 아우터레이스 사이에 원주 방향으로 배치되어 아우터레이스로 회전력을 전달하는 복수의 롤러;
   상기 복수의 롤러의 간격을 유지하며 회전하는 간격유지부; 및
   상기 간격유지부와 인접하고, 마찰 또는 자력에 의한 저항을 발생시켜 상기 간격유지부의 회전을 단속하여, 상기 아우터레이스에서 이너레이스로 입력되는 회전력을 선택적으로 차단하는 회전단속부를 포함하고,
   상기 클러치쉘은,
   복수의 롤러에 대응 및 접촉되도록 접촉면을 갖는 다각형의 판재 형상으로 형성되고, 상기 접촉면 중앙에는 상기 롤러의 외주 사이에 간극을 형성하도록 내측으로 만곡된 단곡면이 형성된 것을 특징으로 하는, 클러치 기능을 갖는 전동기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 이너레이스는 상기 구동유닛에 연결되는 구동피니언을 포함하고,
   상기 아우터레이스는 외부대상체와 연결되는 종동피니언을 포함하는 것을 특징으로 하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 이너레이스는,
   상기 클러치유닛을 수용하는 하우징에 고정된 클러치샤프트의 외주에 회전가능하게 설치된 슬리브;
   상기 슬리브의 일측에 구비되어 상기 구동유닛에 연결되는 구동피니언; 및
   상기 슬리브의 타측에 구비되어 구동피니언과 같이 회전하는 클러치쉘;
   을 포함하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 간격유지부는 상기 클러치쉘이 인접되도록 상기 슬리브의 외주에 회전가능하게 설치된 전기자이고,
   상기 회전단속부는 슬리브의 외주에 끼워져 상기 하우징에 고정되는 솔레노이드인 것을 특징으로 하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 간격유지부는 상기 클러치쉘이 인접되도록 상기 슬리브의 외주에 회전가능하게 설치되고,
   상기 회전단속부는 전기가 인가되면 상기 간격유지부의 회전을 단속하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
   
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 간격유지부는 복수의 롤러의 간극을 유지하는 리테이너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 클러치유닛과 연결되고, 상기 구동유닛의 회전속도를 감속시키는 감속기어유닛;
   을 더 포함하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 클러치유닛은,
   상기 간격유지부와 인접하게 배치되고, 상기 회전단속부에 삽입 배치되며, 상기 구동유닛의 최초 구동 시 상기 간격유지부의 회전을 일부 단속하여, 상기 아우터레이스에 회전력을 전달하도록 상기 복수의 롤러의 회전력 전달 상태를 변환하는 영구자석;
   을 더 포함하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
   
10. 구동유닛; 및
    상기 구동유닛과 연결되고, 클러치쉘을 구비하는 이너레이스와 상기 구동유닛의 회전력을 외부로 출력하는 아우터레이스 사이에서 회전력을 전달하는 복수의 롤러의 회전력 전달상태를 변환하여 상기 구동유닛 또는 외력의 회전력을 선택적으로 전달 또는 차단하는 것을 특징으로 하는 클러치유닛;
    을 포함하고,
    상기 복수의 롤러는 상기 클러치쉘과 상기 아우터레이스 사이에 원주방향으로 배치되어 선택적으로 회전력을 전달하며,
    상기 클러치 유닛은, 복수의 롤러의 간격을 유지하며 회전하는 간격유지부 및 상기 간격유지부와 인접하고 마찰 또는 자력에 의한 저항을 발생시켜 상기 간격유지부의 회전을 단속하여 상기 복수의 롤러의 회전력 전달상태를 선택적으로 변환하는 회전단속부를 더 포함하고,
    상기 클러치쉘은, 복수의 롤러에 대응 및 접촉되도록 접촉면을 갖는 다각형의 판재 형상으로 형성되고, 상기 접촉면 중앙에는 상기 롤러의 외주 사이에 간극을 형성하도록 내측으로 만곡된 단곡면이 형성된 것을 특징으로 하는, 클러치 기능을 갖는 전동기.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 이너레이스는, 클러치쉘을 구비하고,
    상기 복수의 롤러는 상기 클러치쉘과 상기 아우터레이스 사이에 원주방향으로 배치되어 선택적으로 회전력을 전달하고,
    상기 클러치유닛은,
    상기 복수의 롤러의 간격을 유지하며 회전하는 간격유지부;
    상기 간격유지부의 회전을 단속하여, 상기 복수의 롤러의 회전력 전달상태를 선택적으로 변환하는 회전단속부;
    를 더 포함하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 이너레이스는 상기 구동유닛에 연결되는 구동피니언을 포함하고,
    상기 아우터레이스는 외부대상체와 연결되는 종동피니언을 포함하는 것을 특징으로 하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 이너레이스는,
    상기 클러치유닛을 수용하는 하우징에 고정된 클러치샤프트의 외주에 회전가능하게 설치된 슬리브;
    상기 슬리브의 일측에 구비되어 상기 구동유닛에 연결되는 구동피니언; 및
    상기 슬리브의 타측에 구비되어 구동피니언과 같이 회전하는 클러치쉘;
    을 포함하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 간격유지부는 상기 클러치쉘이 인접되도록 상기 슬리브의 외주에 회전가능하게 설치된 전기자이고,
    상기 회전단속부는 슬리브의 외주에 끼워져 상기 하우징에 고정되는 솔레노이드인 것을 특징으로 하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
    
15. 제13항에 있어서,
    상기 간격유지부는 상기 클러치쉘이 인접되도록 상기 슬리브의 외주에 회전가능하게 설치되고,
    상기 회전단속부는 상기 간격유지부와 적어도 일부가 연결되고, 전기가 인가되면 상기 간격유지부의 회전을 단속하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
    
16. 삭제
17. 제11항에 있어서,
    상기 간격유지부는 복수의 롤러의 간격을 유지하는 리테이너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
    
18. 제11항에 있어서,
    상기 클러치유닛은,
    상기 간격유지부와 인접하게 배치되고, 상기 회전단속부에 삽입 배치되어, 상기 구동유닛의 최초 구동 시, 상기 간격유지부의 회전을 일부 단속하여 상기 아우터레이스에 회전력을 전달하도록 상기 복수의 롤러의 회전력 전달 상태를 변환하는 영구자석;
    을 더 포함하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
    
19. 제11항에 있어서,
    상기 클러치유닛과 연결되고, 상기 구동유닛의 회전속도를 감속시키는 감속기어유닛;
    을 더 포함하는 클러치 기능을 갖는 전동기.
    

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