KR102288868B1 - 기어 모터 - Google Patents

Abstract

사이클로이드 타입 기어 감속기를 사용하는 기어 모터를 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 기어 모터는 모터하우징과 스테이터와 로터와 인슐레이터를 포함하는 모터 유닛과, 모터 유닛의 일 방향 측부에 결합되는 케이스와, 모터 유닛의 타 방향 측부에 결합되는 기어 유닛과, 기어 유닛의 타 방향 측부에 결합되고 기어 유닛의 출력부와 결합되어 함께 회전하는 마그넷 폴과, 마그넷 폴의 자속 밀도를 감지하여 모터 유닛의 출력을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

기어 모터{GEAR MOTOR}

본 발명은 기어 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사이클로이드 타입 기어감속기를 사용하는 기어 모터에 관한 것이다.

국내 기어 모터, 특히 자동화 모터 시장은 주로 외산에 의존하고 있어, 납기 및 품질 등에 대해 전반적인 문제가 발생할 경우 즉각적인 대응이 어려우며, 해외 무역 관련 문제가 발생할 경우 대체 방법이 전무한 실정이다.

이에 본 발명은 자동화 기어 모터의 국산화를 통해 원할한 제품의 공급이 가능하고, 제품의 소형화를 달성하면서도 모터 효율을 향상시키고 제어를 편리하게 하여 다양한 수요층을 만족시키고자 한다.

풍력발전, 의료기기, 건설기계, 자동화 설비 등 수요 산업의 기반이 양호하여 기어 모터 수요를 지속적으로 창출하고 있다. 특히, 최근 산업계에서는 단조로운 반복 작업이나 잠재적으로 위험한 작업은 로봇을 적용하여 생산성을 증대시키고, 사람은 보다 효율성이 높은 업무에 재배치되고 있다.

일례로 공장의 조립라인에는 컨베이어 벨트가 설치되어 필요 부품들을 운송하고, 조립 공정을 위해서는 부품의 상하차가 필수적인데 이 작업은 과거에는 사람에 의해서 수동으로 진행되어 척추 압박과 같은 장애를 유발하였다.

최근에는, 이러한 작업들이 다관절 로봇으로 대체되어 안전성과 생산성이 크게 향상되고 있다. 한편, 로봇의 관절에는 토크를 인가하는 모터뿐만 아니라 모터의 토크 증배를 위한 감속기, 그리고 관절의 회전 각도 측정을 위한 장치가 함께 설치된다.

단, 기존에는 상기의 부품들을 각기 제작하여 조립하는 방식을 적용함으로써, 조립 시 오차를 발생시킬 뿐 아니라 소형화에 불리한 단점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 상기의 부품들을 내장한 로봇 액추에이터가 판매되고 있다.

한편, 전술한 로봇 액추에이터에는 다양한 종류의 감속기들이 적용되는데, 이 중에서 사이클로이드 타입은 크기 대비 고감속비와 적은 백래쉬의 유리한 장점과 복잡한 구조로 인한 단점을 함께 갖고 있다.

따라서, 사이클로이드 타입 감속기를 적용하는 액추에이터에 있어서 감속기의 복잡한 구조로 인한 소형화 문제와 감속기 출력축의 위치 측정 문제에 대한 해결 방안이 요구되고 있는 실정이다.

본 기술과 관련하여, 특허문헌 1(한국 특허등록공보 제10-0582446호)에는 고효율 하이퍼 사이클로이드 기어 감속기에 관하여 개시되어 있다.

특허문헌 1: 한국 특허등록공보 제10-0582446호(2006년 5월 23일 공고)

본 발명은 사이클로이드 타입 감속기를 이용하여 감속비를 높이면서도 축 방향 길이가 짧아 소형화 제작이 가능하고, 가공이 용이하여 생산가격을 낮출 수 있는 일체형 액추에이터인 기어 모터를 제공하고자 한다.

구체적으로 본 발명은 사이클로이드 타입 감속기의 출력축을 동력전달 구조물에 부착하고, 동력전달 구조물로부터 전달된 회전각을 계측함으로써, 축방향 길이가 감소된 액추에이터의 회전각을 쉽게 검출할 수 있는 기구 및 방법을 사용자에게 제공하고자 한다.

또한, 모터 유닛과 케이스 사이에 원판 PCB 형태의 모터 드라이버를 설치하여 공간적 제약 및 배선 설치의 어려움을 해결하고 배선 간소화와 작업 편리성을 증대하고자 한다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 모터하우징과, 상기 모터하우징 내부에 마련되고 전자기력을 발생시키는 스테이터와, 상기 스테이터 내측에 마련되고 전자기에 의해 회전하는 로터와, 상기 스테이터의 일 측에 마련되고 절연 기능을 수행하는 인슐레이터를 포함하는 모터 유닛; 상기 모터유닛의 일 방향 측부에 결합되는 케이스; 상기 모터 유닛의 타 방향 측부에 결합되고, 상기 로터의 회전 속도를 소정의 감속비로 감속하여 출력부로 출력하는 기어 유닛; 상기 기어유닛의 타 방향 측부에 결합되고 상기 기어 유닛의 상기 출력부와 결합되어 함께 회전하는 마그넷 폴; 및 상기 마그넷 폴의 자속밀도를 감지하여 상기 모터 유닛의 출력을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 케이스 내부에 수용되고 상기 모터 유닛의 일 방향 측부에 일정 거리 이격되어 위치하는, 기어 모터가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 마그넷 폴은, 상기 기어 유닛의 출력기어의 타 방향 측부에 결합되는 결합부와, 상기 결합부의 중심부에서 일 방향으로 연장되어 상기 기어 유닛과 상기 모터 유닛을 관통하는 축부와, 상기 축부의 일 방향 단부에 결합되는 마그넷 부재를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 축부는 상기 모터 유닛의 상기 로터와 상기 기어 유닛의 상기 로터에 결합되는 상기 편심 샤프트를 관통하여 상기 모터 유닛의 일 방향 측면과 같거나 그보다 상기 제어부에 가깝게 돌출될 수 있다.

한편, 상기 마그넷 부재는 원판 형상의 주자력면을 형성하고, 주자력면은 이방성 마그넷으로 마련되고, 상기 제어부는 상기 마그넷 부재와 인접하는 위치에 상기 마그넷 부재의 자속 밀도를 감지하는 엔코더 IC를 구비할 수 있다.

또는, 상기 케이스의 일 방향 측면에 형성되는 다수의 홀을 커버하도록 상기 케이스의 일 방향 측면 내측에 결합될 수 있는 필터 부재를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 기어 유닛은 사이클로이드 기어 구조 또는 편심 기어 구조를 포함할 수 있다.

또는, 상기 기어 유닛은, 상기 모터 유닛의 상기 로터와 결합하여 함께 회전하는 편심 샤프트와, 상기 편심 샤프트를 중심으로 편심 회전하도록 연결되는 내측기어 부재와, 상기 편심 샤프트를 중심으로 편심 회전하도록 상기 편심 샤프트의 상기 내측 기어 부재 일 방향에 결합되는 제1 편심링과, 상기 편심 샤프트에 편심 회전하도록 상기 편심 샤프트의 상기 내측 기어 부재 타 방향에 결합되는 제2 편심링과, 상기 내측 기어 부재에 기어 결합되는 중간 기어 부재와, 상기 제2 편심링에 기어 결합되는 출력 기어를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 기어 유닛은, 상기 모터 유닛의 타 방향 측부에 연결되는 입력케이스와, 상기 입력케이스의 타 방향 측부에 연결되는 출력케이스와, 상기 입력케이스 또는 상기 출력케이스의 내주면에 결합되는 외측링 부재를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 편심링은 상기 입력케이스의 내주면에 기어 결합되고, 상기 출력 기어는 상기 출력케이스 내부에 이탈하지 않도록 수용되고, 상기 제2 편심링은 상기 출력 기어의 내주면에 기어 결합될 수 있다.

이 때, 상기 내측 기어 부재는 상기 중간 기어 부재의 내주면에 기어 결합되고, 상기 중간 기어 부재의 외주면은 상기 상기 외측링 부재에 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 모터하우징과, 상기 모터하우징 내부에 마련되고 전자기력을 발생시키는 스테이터와, 상기 스테이터 내측에 마련되고 전자기에 의해 회전하는 로터와, 상기 스테이터의 일 측에 마련되고 절연 기능을 수행하는 인슐레이터를 포함하는 모터 유닛; 상기 모터 유닛의 일 방향 측부에 결합되는 케이스; 상기 모터 유닛의 타 방향 측부에 결합되고, 상기 로터의 회전 속도를 소정의 감속비로 감속하여 출력부로 출력하는 기어 유닛; 상기 기어 유닛의 타 방향 측부에 결합되고 상기 기어 유닛의 상기 출력부와 결합되어 함께 회전하는 마그넷 폴; 및 상기 마그넷 폴의 자속 밀도를 감지하여 상기 모터 유닛의 출력을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 기어 유닛은, 상기 모터 유닛의 상기 로터와 결합하여 함께 회전하는 편심 샤프트와, 상기 편심 샤프트를 중심으로 편심 회전하도록 연결되는 내측 기어 부재와, 상기 편심 샤프트를 중심으로 편심 회전하도록 상기 편심 샤프트의 상기 내측 기어 부재 일 방향에 결합되는 제1 편심링과, 상기 편심 샤프트에 편심 회전하도록 상기 편심 샤프트의 상기 내측 기어 부재 타 방향에 결합되는 제2 편심링과, 상기 내측 기어 부재에 기어 결합되는 중간 기어 부재와, 상기 제2 편심링에 기어 결합되는 출력 기어를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 기어 유닛은, 상기 모터 유닛의 타 방향 측부에 연결되는 입력케이스와, 상기 입력케이스의 타 방향 측부에 연결되는 출력케이스와, 상기 입력케이스 또는 상기 출력케이스의 내주면에 결합되는 외측링 부재를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 편심링은 상기 입력케이스의 내주면에 기어 결합되고, 상기 출력 기어는 상기 출력케이스 내부에 이탈하지 않도록 수용되고, 상기 제2 편심링은 상기 출력 기어의 내주면에 기어 결합될 수 있다.

한편, 상기 내측 기어 부재는 상기 중간 기어 부재의 내주면에 기어 결합되고, 상기 중간 기어 부재의 외주면은 상기 상기 외측링 부재에 연결될 수 있다.

한편, 상기 제어부는 상기 케이스 내부에 수용되고 상기 모터 유닛의 일 방향 측부에 일정 거리 이격되어 위치할 수 있다.

이 때, 상기 마그넷 부재는 원판 형상의 주자력면을 형성하고, 주자력면은 이방성 마그넷으로 마련되고, 상기 제어부는 상기 마그넷 부재와 인접하는 위치에 상기 마그넷 부재의 자속 밀도를 감지하는 엔코더 IC를 구비할 수 있다.

또는, 상기 케이스의 일 방향 측면에 형성되는 다수의 홀을 커버하도록 상기 케이스의 일 방향 측면 내측에 결합될 수 있는 필터 부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 기어 모터는 사이클로이드 타입 기어 감속기를 사용함으로써 소형화가 가능하면서도 감속비를 높일 수 있다.

또한, 사이클로이드 타입 기어 감속기의 구조를 개선하여 제작과 조립 편의성이 증대되고, 기존 사이클로이드 타입 기어 감속기 대비 축방향 길이를 짧게하는 것이 가능하다.

또한, 하프 절대 엔코더(Half Absolute Encoder) 방식을 사용하여 모터의 위치 및 속도를 보다 정확하게 결정할 수 있고, 전원이 차단된 상태에서도 손쉽게 모터의 위치를 기억할 수 있다.

또한, 케이스에 방진 필터를 탈부착하여 외부 환경에 따른 불량 발생 가능성을 감소하고 제품 수명을 늘릴 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시 예에 따른 기어모터를 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 분해사시도이다.
도 3은, 기어모터의 구조를 나타내는 도 1의 단면도이다.
도 4는, 모터유닛의 분해사시도이다.
도 5는, 모터유닛의 구조를 나타내는 도 4의 단면도이다.
도 6은, 기어유닛의 분해사시도이다.
도 7은, 기어유닛의 구조를 나타내는 도 6의 단면도이다.
도 8은, 마그넷 폴의 주자력면을 나타내는 참고도면이다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기어모터를 나타내는 단면도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아래에서 소개하는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것일 뿐, 본 발명이 제시하는 실시 예만으로 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 다른 실시 형태로도 구체화될 수 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략할 수 있고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기 등을 다소 과장하여 표현할 수 있다.

기어 모터(Gear Motor)는 모터에 기어 박스를 장착하여 회전 속도를 줄이고, 줄어든 회전수의 배수만큼 출력 토크를 증가시키는 제품을 의미한다. 기어 모터는 모터 회전축에 여러 종류의 기어를 결하해 마력 범위를 확장하고 다양한 형태의 동력 전달을 가능하게 하고, 모터 회전축과 결합된 기어의 잇수 조합을 변경하여 속도 전달비에 따른 토크를 선택할 수 있다.

기어 모터는 모터를 기어와 결합해 목표하는 토크(힘)와 회전을 발생시키는 전자기기로 토크를 높이고 소음과 크기를 줄이는 것이 중요하며, 이를 위해 기어의 고정밀화, 모터와 기어의 유기적 결합 등이 필수적이다.

DC모터는 고정자로는 영구자석을, 회전자(전기자)로는 코일을 사용하고 회전자에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로서 회전력을 생성시킨다. 전류에 비례한 안정된 토크를 얻기 위해 정류 장치인 브러시와 정류자가 필요한데, BLDC(Brushless DC) 모터는 기계적 접촉부인 브러시를 트랜지스터로 교체하여 고속/장수명 특성 구현이 가능하다.

기어 모터의 고속화 및 소형화 흐름에 따라 BLDC 모터의 고속화 및 소형, 박형화 설계가 중요한 기술적 흐름이다. BLDC 모터는 다양한 산업군에 적용이 가능하며, 크기 대비 높은 출력으로 제품의 소형화가 가능해진다. 중공형 타입의 BLDC 모터를 제조함으로써 반경방향 및 축방향의 하중에 더욱 높은 강성을 구비하고, 중공구조를 통해 배선의 간소화 및 원활한 기구 설계가 가능해진다.

도 1은, 본 발명의 실시 예에 따른 기어모터를 나타내는 사시도이고, 도 2는, 도 1의 분해사시도이다. 그리고 도 3은, 기어모터의 구조를 나타내는 도 1의 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 기어 모터(10)는 모터 유닛(100)과 모터 유닛(100)의 일 측에 마련되는 기어 유닛(200)과 기어 유닛(200)의 일 측에 마련되고 기어 유닛(200)과 결합되는 마그넷 폴(300)과 모터 유닛(100)의 타 측에 마련되는 케이스(400)와, 모터 유닛(100)과 케이스(400) 사이에 마련되는 제어부(500)를 포함한다.

모터 유닛(100)은 DC모터, BLDC 모터를 포함하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 유닛(100)은 BLDC 모터일 수 있다.

도 4는, 모터 유닛의 분해사시도이다. 도 5는, 모터 유닛의 구조를 나타내는 도 4의 단면도이다.

도 4와 도 5를 참고하면, 모터 유닛(100)은 모터하우징(140)과 상기 모터하우징(140) 내부에 구비되고 코일이 권선되고 전자기력을 발생시키는 스테이터(120)와, 스테이터(120) 내측에 설치됨과 아울러 마그네트가 고정되고 전자기에 의해 고속으로 회전되는 로터(110)와, 절연 기능을 수행하는 인슐레이터(130: 131, 132)와, 마그네트의 자력을 센싱하는 홀센서(미도시)가 부착되는 홀센서 기판(150)을 포함할 수 있다.

상기 모터하우징(140)은 원통 형상의 원통부(141)와, 상기 원통부(141)의 일 측을 막고, 회전축이 관통되는 제1 관통홀을 형성하는 제1 커버(142)와, 상기 원통부(141)의 타 측을 막고, 회전축이 관통되는 제2 관통홀을 형성하는 제2 커버(143)를 포함한다.

상기 스테이터(120)는 상기 모터하우징(140) 내주면에 고정될 수 있다. 상기 스테이터(120)는 전류 인입을 위한 코일(미도시)이 권선되는 다수의 고정자 슬롯이 형성될 수 있다. 상기 스테이터(120)는 박판의 규소 강판을 다수로 적층함으로써 형성되고, 다수의 투스가 내주면을 따라 일정 간격으로 마련되며, 투스와 함께 투스에 의해 형성되는 고정자 슬롯을 코일로부터 절연시키기 위하여 상기 인슐레이터(130)가 설치되고, 내부에 상기 로터(110)가 공간을 두고서 회전 가능하게 설치된다.

상기 로터(110)는 상기 스테이터(120)와 마찬가지로 다수의 규소 강판을 적층함으로써 원주 형상으로 형성되고, 중심에 회전축이 관통하여 고정되며, 상기 스테이터(120)에 권선된 코일에서 발생되는 자기장과의 상호 작용에 의해 토크를 발생시키는 마그네트가 외주면을 따라 일정 간격으로 삽입 고정된다.

상기 인슐레이터(130)는 상기 코일과 상기 스테이터(120)의 고정자 슬롯 사이에 개재되어 절연 기능을 수행할 수 있다. 상기 인슐레이터(130)는 상기 스테이터(120)의 상측과 하측에 각각 장착되는 제1 인슐레이터(131)와 제2 인슐레이터(132)를 포함하고, 상기 스테이터(120)의 투스 외주면을 감싸는 투스 절연부가 다수로 형성되며, 상측면과 하측면에 투스 절연부에 권선됨으로써 투스에 위치하는 코일의 권선을 가이드하는 권선 가이드가 원형으로 배열되도록 다수로 형성된다.

상기 홀센서 기판(150)의 일 면에는 다수개의 홀센서가 일정한 간격으로 마련될 수 있다. 다수 개의 홀센서는 상기 로터(110)의 외주면을 따라 마련되는 마그네트의 자력을 센싱함으로써 상기 로터(110)의 위치, 즉, 상기 로터(110)에 마련되는 마그네트의 자극 위치를 검출하고, 모터의 구동을 제어하는 제어부(500)가 마그네트의 자극 배열에 맞도록 코일에 특정 방향의 전류를 흘려줄 수 있다.

한편, 제2 커버(143)의 타 측에는 모터 유닛(100)과 기어 유닛(200) 사이에 마련되는 스페이서(미도시)가 마련될 수 있다. 상기 스페이서는 모터 유닛(100)과 기어 유닛(200) 사이의 열 및 진동 전달을 방지할 수 있도록 복합소재, 고무 등 다양한 소재로 마련될 수 있고, 회전축이 관통되는 홀이 형성되는 도넛 형상일 수 있다. 또한, 스페이서는 모터 유닛(100)의 타 면에 결합되거나, 기어 유닛(200)의 일 면에 결합될 수 있고, 모터 유닛(100) 및 기어 유닛(200)과 별개의 부재로 마련되어 사이에 개재될 수도 있다.

한편, 종래의 BLDC 모터 드라이버는 기어모터 외부에 별도로 설치하여야 하였기에 공간적 제약 및 배선의 어려움과 추가적인 비용 발생이 요구되었으나, 본 발명의 실시예에 따른 제어부는 모터 유닛의 일 측에 연결되어 배선을 간소화할 수 있고 조립 및 분해 작성 편리성이 증대되었다.

본 발명의 실시예에 따른 기어 모터(10)는 제어부(500)가 모터 유닛(100)과 케이스(400)의 사이에 위치할 수 있다. 제어부(500)는 원판 형상의 PCB로 마련될 수 있고, 일 측 중앙부에 마그넷 폴(300)의 회전량을 감지할 수 있는 센서부(위치검출자)가 마련될 수 있다. 센서부는 마그넷 폴(300)의 마그넷 부재(310)와 인접하게 위치할 수 있고, 마그넷 부재(310)의 주자력면의 자속 밀도를 감지하여 마그넷 폴(300)의 회전 각도와 회전 각속도를 알 수 있다.

제어부(500)는 센서부에서 측정한 마그넷 폴(300)의 위치검출 정보를 활용하며, 검출된 위치정보는 피드백되어 입력측인 모터 유닛(100)의 구동 제어에 활용되게 된다.

제어부(500)는 모터 유닛(100)으로부터 입력된 회전수가 일체형 사이클로이드 감속 유닛(200)의 위치 피드백 장치를 거쳐 소정의 치수자 만큼의 감속비로 감속되면서 출력되어 보다 정밀한 감속제어가 가능하게 된다.

특히, 감속된 후 출력축을 통해 출력되는 출력 정보, 즉 출력축의 위치정보를 출력축과 함께 회전되는 회전 로드와, 이 회전로드의 하단면에 매립된 마그네트 및 마그네트의 자속밀도 변화를 감지하는 위치 검출자에 의해 감지되고, 그 정보가 피드백되어 입력 제어에 활용됨으로써 보다 더 정밀하고 정확한 제어가 가능하게 된다.

제어부(500)는 일반적으로 모터를 제어하는 서보 드라이버(Servo Driver)에서 필요로 하는 위치 결정, 속도 결정의 기능을 구비하고, Half Absolute Encoder 방식을 채용하여 서보 드라이버 대비 간단한 사용성으로 다양한 기능을 탑재하여 활용성을 높일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 기어 유닛(200)은 사이클로이드 기어를 사용하여 큰 감속비를 이용한 출력을 제공할 수 있다.

사이클로이드 기어(Cycloid Gear)는 유성 기어(Planetary Gear) 대비 내측 기어의 접촉면적이 많고 곡선으로 이루어져 진동, 소음 및 외부 충격에 강한 특징이 있다. 사이클로이드 기어는 유성기어 대비 내측 기어의 공간 활용이 우수하여 동일 크기에서 더 높은 감속비와 높은 내구성을 가질 수 있고, 동일 감속 비율이라면 사이클로이드 기어가 유성 기어 보다 높이가 낮아 소형화가 가능하면서도 소음 및 진동 특성이 더욱 우수하다.

유성 기어의 경우, 외접 기어와 중앙의 선기어를 통한 감속비가 결정되며, 기구적인 특성상 사이클로이드 기어 대비 높은 감속비를 위해서는 추가적인 감속기 구성이 필수적이다. 유성 기어를 사용하면서 높은 감속비를 이루기 위해서는 기어가 커져야 하므로 외형의 크기가 커지게 되고, 기어 트레인과 클러치 원판 및 스프링 등의 구성요소가 별도로 마련되어야 하므로 생산 및 조립 공정의 증가에 따른 생산비용 증가가 필연적이고 고장 발생의 우려가 높아지는 문제가 있다.

반면, 사이클로이드의 감속 비율은, (외측 기어-내측 기어)/내측 기어의 단순식으로 계산이 가능하며, 설계 및 가공 기술이 뒷받침된다면 크기 대비 높은 감속비 효율을 달성할 수 있다.

도 6은, 기어 유닛의 분해사시도이고, 도 7은, 기어 유닛의 구조를 나타내는 도 6의 단면도이다.

도 6과 도 7을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 기어 유닛(200)은 유성 기어(Planetary Gear) 아닌 사이클로이드 기어(Cycloid Gear)를 사용하여, 유성 기어 대비 소형으로 제작이 가능하고 효율과 내구성을 높이고 조립 편의성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 사이클로이드 치형을 이용함으로써 높은 감속비를 달성함은 물론 우수한 토크의 전달이 가능하게 할 수 있다.

기어 유닛(200)은 모터 유닛(100)의 하부에 마련되는 입력케이스(210)와, 상기 입력케이스(210)의 하부에 연결되는 출력케이스(220), 입력케이스(210)와 출력케이스(220) 내부의 공간에 수용되는 편심 샤프트(230)를 포함할 수 있다.

편심 샤프트(230)는 내부가 관통되는 축 형상으로 마련되고, 상부가 모터 유닛(100)의 로터(110)에 결합될 수 있다.

편심 샤프트(230)는 축부재(231)와, 축부재(231)의 외주면에 결합되고 편심링 형상으로 마련되는의 편심 베어링(232)과 상기 편심 베어링(232)의 외주면에 결합되는 링 형상의 내측링 부재(233)와 상기 내측링 부재(233)의 외주면 하단에 결합되는 링 형상의 내측 기어 부재(234)를 포함할 수 있다.

편심 베어링(232), 내측링 부재(233), 내측 기어 부재(234)의 어느 두 부재 이상은 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 내측링 부재(233)와 내측 기어 부재(234)는 일체로 형성되고 서로 외경이 다른 2단 구조로 형성될 수 있다.

축부재(231)는 일 단이 로터(110)의 내주면에 결합되고 내부에 축 방향의 중공부가 형성되어 마그넷 폴(300)이 관통하도록 마련될 수 있다.

그리고 축부재(231)는 외주면이 5단 이상의 단차를 형성하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 두께가 가장 얇은 제1 단차부는 모터 유닛(100)의 로터(110) 내경에 대응하는 외경을 가지도록 마련되고, 가장 두께가 두꺼운 제2 단차부는 편심 베어링(232)의 내경에 대응하는 외경을 가지도록 마련되고, 상기 제1 단차부와 상기 제2 단차부 사이에서 두 단차부 사이의 두께를 가지는 제3 단차부는 제1편심링(241)의 내경에 대응하는 외경을 가지도록 마련되고, 상기 제2 단차부의 하측에 상기 제2 단차부 보다 작은 두께를 가지는 제4 단차부는 제2 편심링(242)의 내경에 대응하는 외경을 가지도록 마련되고, 상기 제4 단차부의 하측에 상기 제4 단차부 보다 작은 두께를 가지는 제5 단차부는 상기 축부재(231)와 출력 기어(260) 사이에 마련되는 제1 출력링(243)의 내경에 대응하는 외경을 가지도록 마련될 수 있다.

제1 편심링(241)은 축부재(231)의 일측(상부) 외주면에 결합되고 편심링 형상으로 마련될 수 있다. 그리고 제1 편심링(241)은 입력케이스(210) 내주면에 편심 기어결합될 수 있다.

제2 편심링(242)은 축부재(231)의 타측(하부) 외주면에 결합되고 편심링 형상으로 마련될 수 있다. 그리고 제2 편심링(242)은 출력기어(260)의 내주면에 편심 기어결합될 수 있다.

제1 편심링(241)과 제2 편심링(242) 사이에는 내측링 부재(233)가 위치할 수 있다. 그리고 내측링 부재(233)의 외측 하단부에는 내측 기어 부재(234)가 연결되고, 외측 상단부에는 제1 중간 기어 부재(251)가 연결될 수 있다. 그리고 제1 중간 기어 부재(251)의 하부에는 제2 중간 기어 부재(252)가 연결될 수 있다.

내측 기어 부재(234)는 중간 기어 부재(241, 252) 내주면에 편심 기어결합될 수 있다.

상기 중간 기어 부재(251, 252)의 외측에는 외측링 부재(253)가 마련될 수 있다.

입력케이스(210)는 내경이 서로 다른 2단 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력케이스(210)는 상부의 내경이 더 작고 하부의 내경이 더 큰 단차 구조를 형성할 수 있다. 입력케이스(210)의 상부 내주면에는 제1 편심링(241)이 편심 기어 결합되고, 하부 내주면에는 외측링 부재(253)가 기어 결합될 수 있다.

일 실시예에 따른 외측링 부재(253)는 출력케이스(220)와 일체로 결합될 수 있다. 예를 들어, 외측링 부재(253)는 출력케이스(220)의 일 면에 안착되어 볼트 결합될수 있다. 이 때, 볼트는 상기 출력케이스(220)의 하부에서 상기 출력케이스(220)를 관통하여 상기 외측링 부재(253)와 결합될 수 있다.

다른 실시예에 따른 외측링 부재(253)는 입력케이스(210)와 출력케이스(220) 모두에 기어 결합되록 마련될 수 있다. 예를 들어, 외측링 부재(253)의 상부는 입력케이스(210)의 내주면에 기어 결합되고, 하부는 출력케이스(220)의 내주면에 기어 결합될 수 있다.

출력 기어(260)는 내경이 서로 다른 2단 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력 기어(260)는 상부의 내경이 더 크고 하부의 내경이 더 작도록 절곡된 구조를 형성할 수 있다. 출력 기어(260)의 상부 내주면에는 제2 편심링(242)이 편심 기어 결합되고, 하부 내주면에는 제1 출력링(243)이 기어 결합 또는 베어링 결합될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 출력 기어(260)는 편심 샤프트(230)와 제1 출력링(243)을 통해 연결되어 함께 회전하도록 마련될 수 있다. 그리고 출력 기어(260)의 하단부에는 마그넷 폴(300)의 결합부(320)가 결합되어 함께 회전하도록 마련될 수 있다. 즉, 편심 샤프트(230)와 제1 출력링(243)과 출력 기어(260)와 마그넷 폴(300)은 동일한 회전수로 회전하도록 마련될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 출력 기어(260)와 편심 샤프트(230) 사이에 마련되는 제1 출력링(243)은 베어링으로 마련될 수 있다. 이 경우, 출력 기어(260)와 편심 샤프트(230)는 서로 다른 회전수로 회전할 수 있으며, 마그넷 폴(300)은 모터 유닛(100)과 다른 회전수로 회전하도록 마련될 수 있다.

여기서, 기어들의 마찰력을 더욱 줄이기 위해서는 서로 맞물리는 기어들 사이에 핀 롤러 베어링을 추가로 배치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기어 유닛(200)의 구조는 종래의 사이클로이드 기어 감속기 구조와는 다르게 다수의 출력 핀들이 판 기어를 관통할 필요가 없으므로 조립이 간단할 뿐 아니라 크기를 획기적으로 소형화 할 수 있다.

한편, 기어 감속비는 내기어의 치수와 외기어의 치수 등에 의하여 결정되며, 이는 사이클로이드 감속기 이론으로 널리 알려진 사실이므로 자세한 설명은 생략한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 조립 오차를 줄이기 위해, 설명한 적어도 일부의 구성요소가 일체형으로 가공될 수 있다.

다음으로 본 발명의 실시예에 따른 마그넷 폴(300)에 대해 설명하기로 한다.

마그넷 폴(Magnet Pole)은 인크리멘탈 엔코더 방식과, 인크리멘탈 엔코더 방식의 문제점을 보완할 수 있는 앱솔루트 엔코더 방식을 포함한다.

앱솔루트 엔코더(Absolute Encoder)는 전원 상태와 무관하게 항상 절대 위치값을 유지할 수 있다. 이러한 특성은 회전 원판에 광학적으로 이진부호화된 위치코드를 스캐닝함으로써 가능하며, 전원이 공급되지 않는 상태에서 위치 이동이 발생하여도 전원 투입 후 곧바로 현재의 위치 정보를 확인할 수 있다.

반면, 인크리멘탈 엔코더(Incremental Encoder)는, 회전원판의 원주상에 일정간격으로 배열된 슬롯의 수를 광학적으로 카운트하여 회전각을 산출한다. 따라서 절대 위치를 측정할 수 없으며, 기점으로부터 상대적인 위치만을 측정할 수 있어, 전원 중단 후 초기 위치를 다시 검출해야 하는 단점이 있다.

마그넷 폴(300)은 기어 유닛(200)의 출력 기어(260)와 결합되어 함께 회전하도록 마련되는 원판 형상의 결합부(320)와, 상기 결합부(320)의 중앙에 연결되고 기어 유닛(200)의 편심 샤프트(230) 내부와 모터 유닛(100)의 로터(110)를 관통하도록 긴 봉 형상으로 마련되는 축부(330)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 축부(330)의 단부(상부)에는 마그넷 부재(310)가 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 축부(330)는 단부 내측으로 요입되는 홈이 형성되고 마그넷 부재(310)가 홈에 삽입되어 결합될 수 있다.

그리고 마그넷 부재(310)는 모터 유닛(100) 보다 제어부(500)에 더 가깝게 위치할 수 있다. 다만, 기어 모터(10)의 길이를 더 짧게 하기 위해서는 마그넷 부재(310)가 모터 유닛(100)과 같은 평면상에 위치할 수도 있다.

도 8은, 마그넷 폴의 주자력면을 나타내는 참고도면이다.

도 8을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 마그넷 폴(300)은 하프 앱솔루트(Half Absolute) 방식을 사용하여 모터의 전원이 꺼진 상태에서도 현재의 모터 회전각도를 알 수 있다.

구체적으로, 마그넷 폴(300)의 단부에 마련되는 마그넷 부재(310)는 원판 형상의 주자력면을 형성하고, 주자력면의 절반은 S극으로, 나머지 절반은 N극으로 마련되는 이방성 마그넷을 사용하고, 자력의 세기를 감지할 수 있는 엔코더 IC를 이용하여 고정밀도로 위치 확인이 가능하다. 예를 들어, 1회전시 최대 4,096 Pulse 출력이 가능하며, 별도의 프로그램을 이용하는 경우 보다 정밀도를 향상시켜 사용할 수도 있다.

또한, 마그넷 폴(300)은 모터 유닛(100)이 아닌 기어 유닛(200)과 결합되어 급작스런 전원의 OFF 상황에도 마지막 위치를 알 수 있으며, 전원 ON 시 별도의 원점 동작을 거치지 않고 바로 다음 동작 수행이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 기어 모터는 하우징에 방진 필터를 탈부착할 수 있어 외부 환경에 대한 불량 발생을 감소시키고, 방진 필터의 교체를 통해 기어모터의 수명이 길어질 수 있다.

도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기어 모터를 나타내는 단면도이다.

도 9를 참고하면, 케이스(400)는 모터 유닛(100)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있도록 다수의 홀이 형성될 수 있다. 다만, 이 홀을 통해 외부의 오염물질이 내부로 침입하는 경우 모터 유닛(100)의 오작동을 발생시키거나 모터유닛(100) 또는 제어부(500)의 내구성을 저해할 수 있는 요인이 될 수 있다. 특히, 모터 유닛(100)이 고속으로 회전하는 경우 케이스(400) 내부에 음압이 발생하여 외부의 오염 물질이 내부로 침입하기가 용이해진다.

이를 방지하기 위해, 케이스(400)의 내부에는 필터 부재(600)를 포함할 수 있다. 필터 부재(600)는 제어부(500)와 케이스(400) 사이에 배치되고, 다공성 물질로 마련될 수 있다.

또한, 필터 부재(600)는 케이스(400) 내부에 탈부착 가능하게 마련되어 케이스(400)를 탈착하여 용이하게 교체할 수 있도록 마련될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 기어 모터,
100: 모터 유닛, 110: 로터, 120: 스테이터, 130: 인슐레이터, 140: 모터하우징, 141: 원통부, 142: 제1 커버, 143: 제2 커버, 150: 홀센서 기판,
200: 기어 유닛, 210: 입력케이스, 220: 출력케이스, 230: 편심 샤프트, 231: 축부재, 232: 편심 베어링, 233: 내측링 부재, 234: 내측 기어 부재, 241: 제1 편심링, 242: 제2 편심링, 243: 제1 출력링, 251: 제1 중간 기어 부재, 252: 제2 중간 기어 부재, 253: 외측링 부재, 260: 출력 기어, 261: 제2 출력링,
300: 마그넷 폴, 310: 마그넷 부재, 320: 결합부, 330: 축부,
400: 케이스, 500: 제어부, 600: 필터 부재

Claims (17)

1. 모터하우징과, 상기 모터하우징 내부에 마련되고 전자기력을 발생시키는 스테이터와, 상기 스테이터 내측에 마련되고 전자기에 의해 회전하는 로터와, 상기 스테이터의 일 측에 마련되고 절연 기능을 수행하는 인슐레이터를 포함하는 모터 유닛;
   상기 모터 유닛의 일 방향 측부에 결합되는 케이스;
   상기 모터 유닛의 타 방향 측부에 결합되고, 상기 로터의 회전 속도를 소정의 감속비로 감속하여 출력부로 출력하는 기어 유닛;
   상기 기어 유닛의 타 방향 측부에 결합되고 상기 기어 유닛의 상기 출력부와 결합되어 함께 회전하는 마그넷 폴; 및
   상기 마그넷 폴의 자속 밀도를 감지하여 상기 모터 유닛의 출력을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 케이스 내부에 수용되고 상기 모터 유닛의 일 방향 측부에 일정 거리 이격되어 위치하며,
   상기 마그넷 폴은, 상기 기어 유닛의 출력 기어의 타 방향 측부에 결합되는 결합부와, 상기 결합부의 중심부에서 일 방향으로 연장되어 상기 기어 유닛과 상기 모터 유닛을 관통하는 축부와, 상기 축부의 일 방향 단부에 결합되는 마그넷 부재를 포함하고, 상기 케이스의 일 방향 측면에 형성되는 다수의 홀을 커버하도록 상기 케이스의 일 방향 측면 내측에 결합될 수 있는 필터 부재를 더 포함하고,
   상기 기어 유닛은, 상기 모터 유닛의 상기 로터와 결합하여 함께 회전하는 편심 샤프트와, 상기 편심 샤프트를 중심으로 편심 회전하도록 연결되는 내측 기어 부재와, 상기 편심 샤프트를 중심으로 편심 회전하도록 상기 편심 샤프트의 상기 내측 기어 부재 일 방향에 결합되는 제1 편심링과, 상기 편심 샤프트에 편심 회전하도록 상기 편심 샤프트의 상기 내측 기어 부재 타 방향에 결합되는 제2 편심링과, 상기 내측 기어 부재에 기어 결합되는 중간 기어 부재와, 상기 제2 편심링에 기어 결합되는 출력 기어를 포함하며,
   상기 편심 샤프트는, 일 단이 상기 로터의 내주면에 결합되고 내부에 축방향의 중공부가 형성되어 상기 마그넷 폴이 관통하도록 마련되는 축 부재와, 상기 축부재의 외주면에 결합되고 편심링 형상으로 마련되는 편심 베어링과, 상기 편심 베어링의 외주면에 결합되는 링 형상의 내측링 부재와, 상기 내측링 부재의 외주면 하단에 결합되는 링형상의 내측 기어부재를 포함하며, 상기 편심 베어링, 상기 내측링 부재 및 상기 내측 기어 부재의 어느 두 부재 이상은 일체로 형성되고,
   상기 축부재는, 두께가 가장 얇고 상기 로터 내경에 대응하는 외경을 가지도록 마련되는 제1 단차부와, 가장 두께가 두껍고 상기 편심 베어링의 내경에 대응하는 외경을 가지도록 마련된 제2 단차부와, 상기 제1 단차부와 상기 제2단차부 사이에서 두 단차부 사이의 두께를 가지며 상기 제1편심링의 내경에 대응하는 외경을 가지도록 마련되는 제3 단차부와, 상기 제2 단차부의 하측에 상기 제2단차부 보다 작은 두께를 가지며 상기 제2 편심링의 내경에 대응하는 외경을 가지도록 마련되는 제4 단차부와, 상기 제4 단차부의 하측에 상기 제4 단차부 보다 작은 두께를 가지며 상기 축부재와 상기 출력기어 사이에 마련되는 제1 출력링의 내경에 대응하는 외경을 가지도록 마련되는 제5 단차부를 포함하며,
   상기 필터 부재는 다공성 물질로 마련되고 상기 케이스 내부에 탈부착 가능한,
   기어 모터.
   
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3. 제1항에 있어서,
   상기 축부는 상기 모터 유닛의 상기 로터와 상기 기어 유닛의 상기 로터에 결합되는 상기 편심 샤프트를 관통하여 상기 모터 유닛의 일 방향 측면과 같거나 그보다 상기 제어부에 가깝게 돌출되는,
   기어 모터.
   
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 마그넷 부재는 원판 형상의 주자력면을 형성하고, 주 자력면은 이방성 마그넷으로 마련되고,
   상기 제어부는 상기 마그넷 부재와 인접하는 위치에 상기 마그넷 부재의 자속 밀도를 감지하는 엔코더 IC를 구비하는,
   기어 모터.
   
5. 삭제
6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 기어 유닛은 사이클로이드 기어구조 또는 편심 기어 구조를 포함하는,
   기어 모터.
   
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8. 제1항에 있어서,
   상기 기어 유닛은,
   상기 모터 유닛의 타 방향 측부에 연결되는 입력케이스와,
   상기 입력케이스의 타 방향 측부에 연결되는 출력케이스와,
   상기 입력케이스 또는 상기 출력케이스의 내주면에 결합되는 외측링 부재를 포함하는,
   기어 모터.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 편심링은 상기 입력케이스의 내주면에 기어 결합되고,
   상기 출력기어는 상기 출력케이스 내부에 이탈하지 않도록 수용되고,
   상기 제2 편심링은 상기 출력 기어의 내주면에 기어 결합되는,
   기어 모터.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 내측 기어 부재는 상기 중간 기어 부재의 내주면에 기어 결합되고,
    상기 중간 기어 부재의 외주면은 상기 외측링 부재에 연결되는,
    기어 모터.
    
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