KR102635551B1 - 로터리 액츄에이터 - Google Patents

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Abstract

로터리 액츄에이터(1)는, ＰＷＢ모터(2)와 파동기어감속기(3)를 구비하고 있다. ＰＷＢ모터(2)는 액시얼갭형의 모터이다. ＰＷＢ모터(2)의 모터 회전자(24)는, 중공모터축(22)에 동축으로 고정된 회전자 원반과, 이 회전자 원반에 고정된 회전자 마그넷을 구비하고 있다. 모터 스테이터(23)는, 프린트 배선판으로 구성되어 있고, 절연기판(26)과 이 절연기판(26)에 형성된 프린트 배선에 의하여 규정되는 모터코일(27)을 구비하고 있다. SＰＭ모터 등을 사용하고 있는 종래의 로터리 액츄에이터에 비하여, 축길이를 짧게 하고 그 중공직경을 크게 할 수 있다.

Description

로터리 액츄에이터
본 발명은, 파동기어감속기(波動 gear 減速機) 및 모터(motor)를 구비한 로터리 액츄에이터(rotary actuator)에 관한 것이다.
파동기어감속기와 모터를 구비한 로터리 액츄에이터로서, 예를 들면 특허문헌1, 2에 제안되어 있는 중공형(中空型)의 로터리 액츄에이터가 알려져 있다. 이들 특허문헌1, 2에 기재되어 있는 중공형의 로터리 액츄에이터는, 중공형의 모터와 중공형의 파동기어감속기가 동축으로 연결되어, 액추에이터 중심부를 축선방향으로 중공부가 관통하여 연장되어 있다. 로터리 액츄에이터의 모터로서, 일반적으로 SＰＭ모터(Surface Permanent Magnet Motor)가 사용되고 있다. SＰＭ모터는, 중공모터축(中空 motor 軸)의 외주면(外周面)에 부착된 회전자(回轉子)의 외주면에 영구자석이 부착된 회전계자(回轉界磁) 형식의 동기모터(同期 motor)이다.
도7은, 파동기어감속기와 SＰＭ모터를 구비한 중공형의 로터리 액츄에이터를 나타내는 설명도이다. 로터리 액츄에이터(400)는, SＰＭ모터(410)와, 이것에 동축으로 연결된 파동기어감속기(450)를 구비하고 있다. SＰＭ모터(410)에는 인코더(encoder)(460)가 부설되어 있다. SＰＭ모터(410)는, 중공모터축(411)과, 그 외주에 동축으로 고정된 모터 회전자(420)와, 모터 회전자(420)를 동축으로 둘러싸는 모터 스테이터(motor stator)(430)를 구비하고 있다. 또한 모터 회전자(420) 및 모터 스테이터(430)의 측방(側方)에는 모터 배선기판(motor 配線基板)(440)이 배치되어 있다.
모터 회전자(420)는, 중공모터축(411)의 외주에 고정된 원환상(圓環狀)의 회전자요크(回轉子 yoke)(421)와, 이 외주면에 부착된 복수의 마그넷(422)을 구비하고 있다. 모터 스테이터(430)는, 전자강판(電磁鋼板)의 적층체(積層體)로 이루어지는 원환상의 스테이터 코어(stator core)(431)와, 이 내주면을 따라 일정한 각도간격으로 형성되어 있는 복수의 돌극(突極)(432)과, 각 돌극(432)에 배치된 권선(捲線)으로 구성되는 스테이터 코일(stator coil)(433)을 구비하고 있다. 각 스테이터 코일(433)은 인슐레이터(insulator)(434)에 의하여 덮어져 있다. 모터 배선기판(440)에 있어서, 각 상(相, phase)(예를 들면 U, V, W의 3상)의 권선이 납땜에 의하여 결선 되어 있다. 또한 모터 배선기판(440)에는, 외부로부터 인입된 모터 동력선(413)이 납땝결선에 의하여 부착되어 있다.
특허문헌1 : 국제공개 제2010/089796호 특허문헌2 : 일본국 공개특허2001-304382호 공보
파동기어감속기와 모터를 구비한 로터리 액츄에이터는, 예를 들면 산업용 로봇, 기타의 장치에 동력 유닛(動力 unit)으로서 조립된다. 장치 소형화 등의 관점에서, 축길이가 짧은 로터리 액츄에이터이거나, 축길이가 짧고 또한 중공직경(中空直徑)이 큰 로터리 액츄에이터가 요망되고 있다.
또한 로터리 액츄에이터에 사용되고 있는 SＰＭ모터는, 상기한 바와 같이 전자강판의 적층체로 이루어지는 스테이터 코어의 내주면에 형성된 복수의 돌극 각각에 권선을 함과 아울러 각 권선에 절연처리(絶緣處理)를한 구성의 모터 스테이터와, 링모양(ring 狀) 회전자 요크의 외주면에 마그넷(magnet)을 부착한 구성의 모터 회전자를 구비하고 있다. SＰＭ모터는, 상대적으로, 부품수가 많고, 조립 공수(組立工數)가 많고, 제조비용도 비싸다. 또한 각 돌극 권선의 절연 때문에 복잡한 형상의 인슐레이터를 사용할 필요가 있다. 또한 모터 스테이터에 전자강판을 사용하고 있으므로 코깅토크(cogging torque)가 발생한다.
또한 SＰＭ모터에서는, 전자강판의 적층체인 스테이터 코어(stator core)의 각 돌극의 외주에 권선을 하고 있다. 각 돌극에 대하여 정렬권선(整列捲線)을 하는 것은 간단하지 않고, 권선 점적률(捲線占積率)을 높이는 것도 간단하지 않다. 또한 각 돌극 권선작업 후에는 각 상의 권선 결선작업이 필요하다. 예를 들면 U, V, W의 3상 권선의 결선작업에 있어서는, 도선피막(導線被膜)의 박리처리(剝離處理), 납땝결선 등의 수작업이 많고, 숙련을 필요로 한다. 납땝의 품질을 담보하는 것도 간단하지 않다. 또한 동력선은 권선에 직접적으로 접속하고 있으므로, 동력선이 파손되면 모터별로 교환할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 파동기어감속기와 모터를 구비한 축길이가 짧은 로터리 액츄에이터를 제공하는 것에 있다. 또한 축길이가 짧고 동시에 중공직경이 크고, 파동기어감속기와 모터를 구비한 중공형의 로터리 액츄에이터를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 모터와, 모터의 출력회전을 감속시켜 출력하도록 당해 모터에 연결된 파동기어감속기를 구비한 로터리 액츄에이터에 있어서, 모터로서, 모터축과, 모터축의 중심축선 방향으로 일정한 간격을 두고 대향하고 있는 모터 회전자 및 모터 스테이터를 구비한 액시얼갭형(axial gap type)의 모터를 사용하고 있다. 모터 회전자는, 모터축에 동축으로 고정된 회전자 원반과 이 회전자 원반에 고정된 회전자 마그넷을 구비하고 있다. 또한 모터 스테이터는, 절연기판과 이 절연기판의 표면이나 혹은 내부에 형성된 프린트 배선(print 配線)에 의하여 규정되는 모터코일을 구비하고 있다.
또한 본 발명의 중공형의 로터리 액츄에이터는, 상기 구성에 더하여, 모터축으로서, 모터의 중심부분을 중심축선 방향으로 관통하여 연장되는 중공모터축을 사용하고 있다. 또한 파동기어감속기는, 당해 파동기어감속기를 중심축선 방향으로 관통하여 연장되는 감속기 중공부(減速機中空部)를 구비하고 있고, 감속기 중공부는 중공모터축의 중공부에 동축으로 연결되어 있다.
본 발명의 로터리 액츄에이터의 모터에서는, 절연기판과, 이 절연기판의 표면이나 혹은 내부에 형성된 프린트 배선에 의하여 규정되는 모터코일을 구비한 프린트 배선판(ＰＷＢ: Printed Wiring Board)으로, 모터 스테이터가 구성되어 있다. 이 구성의 모터를 이하에서는 ＰＷＢ모터라고 한다. 래디얼갭형(radial gap type)의 SＰＭ(Surface Permanent Magnet)모터를 사용하고 있는 종래의 로터리 액츄에이터에 비하여, 액시얼갭형의 ＰＷＢ모터를 사용하고 있는 본 발명의 로터리 액츄에이터는, 축길이를 짧게 할 수 있고, 또한 중공직경을 크게 할 수 있다.
[도1]본 발명을 적용한 실시형태1에 관한 중공형의 로터리 액츄에이터를 나타내는 종단면도이다.
[도2]도1의 ＰＷＢ모터를 나타내는 정면도 및 사시도이다.
[도3]ＰＷＢ모터의 다른 예를 나타내는 사시도 및 분해 사시도이다.
[도4]본 발명을 적용한 실시형태2에 관한 중공형의 로터리 액츄에이터를 나타내는 종단면도이다.
[도5]2축 로터리 액츄에이터의 일례를 나타내는 종단면도이다.
[도6]2축 로터리 액츄에이터의 다른 예를 나타내는 종단면도이다.
[도7]종래의 중공형의 로터리 액츄에이터를 나타내는 설명도이다.
이하에, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 관한 로터리 액츄에이터를 설명한다. 또한 다음의 설명은, 본 발명을 실시형태에 한정하는 것을 의도한 것은 아니다.
(실시형태1)
도1은 본 발명의 실시형태1에 관한 중공형의 로터리 액츄에이터를 나타내는 개략적인 종단면도이다. 로터리 액츄에이터(1)는, ＰＷＢ모터(2)와, 이 ＰＷＢ모터(2)의 출력회전을 감속시켜 출력하도록 ＰＷＢ모터(2)에 연결된 파동기어감속기(3)와, ＰＷＢ모터(2)의 회전을 검출하는 로터리 인코더(rotary encorder)(4)를 구비하고 있다.
ＰＷＢ모터(2)는, 액시얼갭형의 모터로서, 통모양의 하우징(21)을 구비하여, 그 내부에, 중공모터축(22), 모터 스테이터(23) 및 모터 회전자(24)가 배치되어 있다. 중공모터축(22)은, 하우징(21)의 내부에 있어서, 베어링을 통하여 회전이 가능한 상태로 동축으로 배치되어 있다. 중공모터축(22)은, ＰＷＢ모터(2)의 중심부분을 중심축선(1a) 방향으로 관통하여 연장되어 있다. 모터 스테이터(23) 및 모터 회전자(24)는, 중공모터축(22)을 동축으로 둘러싸는 상태로, 중공모터축(22)의 중심축선(1a) 방향으로 일정한 간격을 두고 평행하게 대향하고 있다.
중공모터축(22) 후측(後側)의 축단부(軸端部)(22a)에 로터리 인코더(4)가 배치되어 있다. 로터리 인코더(4)는, 하우징(21) 후측의 개구단(開口端)에 부착된 인코더 커버(41)에 의하여 덮어져 가려져 있다. 중공모터축(22) 후단은 인코더 커버(41)의 중심부분을 관통하고 있고, 그 중공부(22b)는 후방(後方)으로 개구되어 있다. 중공모터축(22)의 타방(他方) 앞측의 축단부(22c)는, 파동기어감속기(3)와의 사이에 있는 하우징 구획벽(25)을 회전이 가능한 상태로 관통하여 파동기어감속기(3) 측으로 연장되어 있다.
파동기어감속기(3)는, 강성의 내치기어(31)와, 가요성의 외치기어(32) 및 파동발생기(33)를 구비하고 있다. 외치기어(32)는, 본 예에서는 실크햇(silk hat) 형상의 외치기어로서, 하우징(21)에 고정되어 있다. 외치기어(32)와 내치기어(31)는, 베어링(34)을 통하여 상대회전(相對回轉)이 가능한 상태로 지지되어 있다. 파동발생기(33)는 회전 입력요소로서, 중공모터축(22)의 앞측 축단부(22c)의 외주면에 동축으로 고정된 강성 플러그(33a)와, 이 강성 플러그(33a)의 타원형 외주면에 삽입된 웨이브 베어링(33b)을 구비하고 있다. 외치기어(32)의 외치(32a)가 형성되어 있는 부분은, 파동발생기(33)에 의하여 타원모양으로 휘어지게 되어 있다. 이에 따라 타원형상의 장축 양단의 위치에 있어서, 외치(32a)는 내치기어(31)의 내치(31a)에 맞물려 있다.
내치기어(31)는 감속회전 출력요소로서, 내치기어(31)에는 원반모양의 출력축(35)이 동축으로 고정되어 있다. 출력축(35)의 중심구멍(35a)은 중공모터축(22)의 중공부(22b)에 동축으로 연결되어 있다. 중공모터축(22)의 축단부(22c) 중공부분과 중심구멍(35a)에 의하여, 파동기어감속기(3)의 중심부분을 관통하여 연장되는 감속기 중공부가 형성되어 있다. 즉 로터리 액츄에이터(1)에는, 그 중심부분을 중심축선(1a) 방향으로 관통하여 연장되고, 양단으로 개구하는 중공부가 형성되어 있다.
도2(a)는 ＰＷＢ모터(2)를 나타내는 개략적인 정면도이고, 도2(b)는 그 개략적인 사시도이다. 도1과 도2를 참조하여 설명하면, ＰＷＢ모터(2)의 모터 스테이터(23)는, 중공모터축(22)이 회전이 가능한 상태로 관통하고 있는 중심구멍을 구비한 절연기판(26)과, 이 절연기판(26)에 형성된 동박(銅箔)으로 이루어지는 코일권선 패턴에 의하여 규정되는 모터코일(27)(코어리스 코일(coreless coil)을 구비하고 있다. 절연기판(26)은 하우징(21)에 고정되어 있다. 본 예에서는, 모터코일(27)은, 절연기판(26)의 표면에 있어서, 중심축선(1a)을 중심으로 하여 등각도(等角度) 간격으로 배열되어 있다. 예를 들면 U, V, W의 각 상을 형성하는 12개의 모터코일(27)이 원주방향으로 배열되어 있다. 모터코일(27)의 배열형태, 배열개수, 형상 등은 도시한 예에 한정되는 것은 아니다.
모터 회전자(24)는, 중공모터축(22)에 동축으로 고정된 일정한 판두께의 회전자 원반(28)과, 이 회전자 원반(28)에 부착된 회전자 마그넷(29)을 구비하고 있다. 회전자 마그넷(29)은 중심축선(1a)을 중심으로 하여 등각도 간격으로 배열되어 있다. 본 예에서는, 회전자 원반(28)에는 원주방향으로 등각도 간격으로 8개의 원형의 마그넷 삽입구멍(28a)이 형성되어 있다. 각 마그넷 삽입구멍(28a)에, 회전자 원반(28)보다도 두꺼운 판두께의 원반형상의 회전자 마그넷(29)이 삽입되어 있다. 또한 회전자 마그넷(29)의 배열형태, 배열개수는 도시한 예에 한정되는 것은 아니다. 또한 회전자 마그넷(29)의 형상은, 원반형상에 한정되는 것이 아니라, 4각형 등이어도 좋다. 또한 부착방법도, 접착, 압입 등 각종 방법을 채용할 수 있다.
모터 스테이터(23)의 모터코일(27)과 모터 회전자(24)의 회전자 마그넷(29)은 중심축선(1a) 방향으로 일정한 갭(gap)을 두고 대향하고 있다. 이에 따라 모터 자기회로(磁氣回路)가 구성된다. 또한 하우징(21)에 형성된 배선구멍를 통하여 모터 동력선(5)이 배치되어 있다. 모터 동력선(5)은, 절연기판(26)에 탑재된 커넥터(6)에 접속되어 있고, 커넥터(6)를 통하여, 절연기판(26)에 형성된 결선 패턴(도면에는 나타내지 않는다)에 접속되어 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 로터리 액츄에이터(1)는, 액시얼갭형의 ＰＷＢ모터(2)를 사용하고 있다. ＰＷＢ모터(2)는, 코일권선 패턴이 형성된 절연기판(26)으로 이루어지는 모터 스테이터(23)와, 회전자 마그넷(29)을 부착한 회전자 원반(28)으로 이루어지는 모터 회전자(24)로 구성된다. 래디얼갭형의 SＰＭ모터를 사용하고 있는 종래의 로터리 액츄에이터에 비하여, 축길이를 짧게 할 수 있고 또한 그 중공직경을 크게 할 수 있다.
또한 일반적으로 사용되고 있는 SＰＭ모터에 비하여, 부품수, 조립공수가 적고, 제조비용도 감소시킬 수 있다. 각 돌극 권선의 절연을 위한 복잡한 형상의 인슐레이터(insulator)를 사용할 필요가 없다. 또한 모터 스테이터에는 전자강판을 사용하지 않고 있으므로 코깅토크(cogging torque)가 발생할 우려도 없다.
또한 ＰＷＢ모터(2)에서는, 절연기판의 표면이나 혹은 내부에, 동박에 의한 권선패턴을 형성하면 좋으므로, 정밀도가 높은 권선패턴을 간단하게 형성할 수 있고, 권선 점적률도 높일 수 있다. 또한 권선의 납땝결선작업 등의 수작업이 불필요하게 된다. 또한 동력선과 권선패턴의 접속은, 절연기판에 탑재된 커넥터를 통하여 형성할 수 있다. 이에 따라 동력선 파손의 영향이 절연기판 및 권선패턴에 미치는 것을 회피할 수 있다.
도3은 ＰＷＢ모터(2)의 다른 예를 나타내는 개략적인 사시도 및 개략분해 사시도이다. 이들 도면에 나타내는 ＰＷＢ모터(2A)는, 중공모터축(22)에 동축으로 부착된 모터 회전자(24A)를 사이에 두고, 중심축선(1a) 방향의 양측에 모터 스테이터(23A, 23B)가 배치되어 있다. 모터 스테이터(23A, 23B)는, 상기한 모터 스테이터(23)와 동일한 구조로서, 모터 회전자(24A)를 사이에 두고 대칭으로 배치되어 있다. 또한 모터 회전자(24A)도 상기한 모터 회전자(24)와 동일한 구조이다. 2개의 모터 스테이터(23A, 23B)를 사용함으로써 모터 출력을 높일 수 있다.
(실시형태2)
도4는 실시형태2에 관한 편평(扁平)·중공형(中空型)의 로터리 액츄에이터를 나타내는 개략적인 종단면도이다. 로터리 액츄에이터(100)는, ＰＷＢ모터(120)와, 컵모양의 파동기어감속기(130)와, 원환상(圓環狀)의 출력축(140)과, ＰＷＢ모터(120)의 회전을 검출하는 로터리 인코더(150)를 구비하고 있다. 로터리 인코더(150)는, 원통모양의 하우징(housing)(160)에 있어서 액추에이터 후방(後方)(중심축선(100a) 방향)의 일방(一方)측의 끝(후단)에 배치되어 있다. 하우징(160)의 내부에 있어서, 하우징(160)의 후단으로부터 액추에이터 전방을 향하여 ＰＷＢ모터(120) 및 파동기어감속기(130)가 조립되어 있고, 하우징(160)의 전단에 출력축(140)이 배치되어 있다. 출력축(140)은 크로스 롤러 베어링(cross roller bearing)(170)을 통하여, 회전이 가능한 상태로 하우징(160)에 의하여 지지되어 있다.
ＰＷＢ모터(120)는 액시얼갭형의 중공모터로서, 중공모터축(122)과, 중공모터축(122)에 조립하여 부착된 모터 회전자(124)와, 하우징(160)에 조립하여 부착된 모터 스테이터(123)를 구비하고 있다. 중공모터축(122)은, 중심축선(100a) 방향에 있어서, 앞측 부분이 소경축부분(小經軸部分)(122a)으로 되어 있고, 후측 부분이 대경축부분(大經軸部分)(122b)으로 되어 있다. 소경축부분(122a)의 후단에는, 반경방향 외방(外方)으로 넓어지는 회전자 원반(122c)이 일체로 형성되어 있고, 이 회전자 원반(122c)에 대경축부분(122b)의 전단(前端)이 동축으로 연결되고 고정되어 있다. 모터 회전자(124)는, 회전자 원반(122c)에 있어서 대경축부분(122b)의 외주측 부위에 부착된 회전자 마그넷(124a)를 구비하고 있다. 회전자 마그넷(124a)에 대해서는, 중심축선(100a) 방향의 후측으로부터 작은 갭(gap)을 사이에 두고, 모터 스테이터(123)가 대향하고 있다.
중공모터축(122)의 대경축부분(122b) 후측의 축단부에는, 로터리 인코더(150)가 조립되어 있다. 로터리 인코더(150)는, 하우징(160)의 후측 개구단에 부착된 인코더 커버(151)에 의하여 덮어져 가려져 있다. 중공모터축(122)의 중공부인 모터 중공부(125)는, 인코더 커버(151)의 중심개구부(152)로부터 후방으로 개구하고 있다. 인코더 커버(151)의 중심개구 가장자리에는 오일씰(oil seal)(153)이 부착된다. 모터 중공부(125)는, 중심축선(100a) 방향의 후측이 대경 중공부로 되어 있고, 앞측이 소경 중공부로 되어 있다.
파동기어감속기(130)는, 중공모터축(122) 앞측의 소경축부분(122a)에 일체로 형성되어 있는 중공입력축(131)과, 중공입력축(131)의 외주면에 조립하여 부착된 파동발생기(132)와, 컵형상을 한 가요성의 외치기어(133)와, 하우징(160)의 내주면에 일체로 형성되어 있는 원환상의 강성의 내치기어(134)를 구비하고 있다. 내치기어(134)에 있어서 모터측의 끝면에는 원반모양의 구획판 부분(161)이 형성되어 있다. 구획판 부분(161)에 의하여 ＰＷＢ모터(120)와 파동기어감속기(130) 사이가 구획되어 있다. 구획판 부분(161)의 내주 가장자리부에 장착된 베어링(162)에 의하여, 중공입력축(131)에 있어서 중공모터축(122)에 연결되어 있는 부위가 회전이 가능한 상태로 지지되어 있다.
외치기어(133)는, 반경방향으로 휘어질 수 있는 원통모양 몸통부(133a)와, 원통모양 몸통부(133a)의 후단으로부터 반경방향의 내방으로 연장되어 있는 원반모양의 다이어프램(133b)과, 다이어프램의 내주 가장자리에 연속하여 일체로 형성된 강성의 원환상 보스(133c)와, 원통모양 몸통부(133a)의 개구단측의 외주면 부분에 형성된 외치(133d)를 구비하고 있다. 외치기어(133)는 감속회전 출력요소로서, 그 강성 보스(133c)는 출력축(140)에 동축으로 연결되고 고정되어 있다. 출력축(140)은 본 예에서는, 크로스 롤러 베어링(170)의 내륜(171)에 일체로 형성되어 있다. 크로스 롤러 베어링(170)의 외륜(172)은 하우징(160)에 연결되고 고정되어 있다.
외치기어(133)의 외치(133d)가 형성되어 있는 부분의 내측에 파동발생기(132)가 배치되어 있다. 파동발생기(132)는, 중공입력축(131)의 외주면에 일체로 형성된 타원모양 윤곽의 플러그 부분(132a)과, 이 플러그 부분(132a)의 타원형 외주면에 장착된 웨이브 베어링(132b)을 구비하고 있다. 외치기어(133)의 외치(133d)가 형성되어 있는 부분은, 파동발생기(132)에 의하여 타원모양으로 휘어지게 되어 있다. 이에 따라 외치(133d)는, 타원형상의 장축양단의 위치에 있어서, 내치기어(134)의 내치(134a)에 맞물려 있다.
중공입력축(131)의 전단부분은, 외치기어(133)의 보스(133c) 근방까지 연장되어 있다. 보스(133c)에는 원환상의 베어링받이(135)가 동축으로 고정되어 있다. 베어링받이(135)에 장착된 베어링(136)에 의하여, 중공입력축(131)의 전단부분은 회전이 가능한 상태로 지지되어 있다. 보스(133c)의 중공부, 베어링받이(135)의 중공부 및 중공입력축(131)의 중공부에 의하여, 파동기어감속기(130)의 중심부분을 관통하는 감속기 중공부(137)가 형성되어 있다. 감속기 중공부(137)는 모터 중공부(125)에 동축으로 연결되어 있다. 모터 중공부(125)와 감속기 중공부(137)에 의하여, 로터리 액츄에이터(100)를 중심축선(100a) 방향으로 관통하여 연장되는 액추에이터 중공부가 형성되어 있다.
이 구성의 로터리 액츄에이터(100)에 있어서, ＰＷＢ모터(120)의 중공모터축(122)의 회전이 중공입력축(131)을 통하여 파동발생기(132)에 전달된다. 파동발생기(132)가 회전하면, 내치기어(134)에 대한 외치기어(133)의 맞물림 위치가 원주방향으로 이동한다. 양 기어(133, 134)의 톱니수 차이에 따른 상대회전이, 양 기어(133, 134) 사이에 발생한다. 내치기어(134)는 하우징(160)에 일체로 형성되어 있는 고정측 부재이므로, 외치기어(133)가 회전한다. 외치기어(133)의 회전은 출력축(140)으로부터 출력된다.
ＰＷＢ모터(120)는, 도2에 나타내는 ＰＷＢ모터(2)와 동일하게 구성되어 있다. ＰＷＢ모터(120)의 모터 스테이터(123)는, 중공모터축(122)의 대경축부분(122b)이 회전이 가능한 상태에서 관통하고 있는 중심구멍을 구비한 절연기판(123a)과, 이 절연기판(123a)에 형성된 동박으로 이루어지는 코일권선 패턴에 의하여 규정되는 모터코일(도면에는 나타내지 않는다)를 구비하고 있다. 절연기판(123a)은 하우징(160)에 고정되어 있다. 모터코일은, 절연기판(123a)의 표면에 있어서, 중심축선(100a)을 중심으로 하여 등각도 간격으로 배열되어 있다. 예를 들면 U, V, W의 각 상을 형성하는 12개의 모터코일이 원주방향으로 배열되어 있다. 모터코일의 배열형태, 배열개수, 형상 등은 도시한 예에 한정되는 것은 아니다.
모터 회전자(124)는, 중공모터축(122)의 소경축부분(122a)에 일체로 형성되어 있는 일정한 판두께의 회전자 원반(122c)에 부착된 회전자 마그넷(124a)을 구비하고 있다. 회전자 마그넷(124a)은 중심축선(100a)을 중심으로 하여 등각도 간격으로 배열되어 있다. 예를 들면 회전자 원반(122c)에는 원주방향으로 등각도 간격으로 8개의 원형의 마그넷 삽입구멍(122d)이 형성되어 있다. 각 마그넷 삽입구멍(122d)에, 회전자 원반(122c)보다도 두꺼운 판두께의 원반형상의 회전자 마그넷(124a)이 삽입되어 있다. 또한 회전자 마그넷(124a)의 배열형태, 배열개수는 도시한 예에 한정되는 것은 아니다. 또한 회전자 마그넷(124a)의 형상은, 원반형상에 한정되는 것이 아니고, 4각형 등이어도 좋다. 또한 부착방법도 접착, 압입 등 각종 방법을 채용할 수 있다.
모터 스테이터(123)의 모터코일(도면에는 나타내지 않는다)과 모터 회전자(124)의 회전자 마그넷(124a)은, 중심축선(100a) 방향으로 일정한 갭을 두고 대향하고 있다. 이에 따라 모터 자기회로가 구성된다. 또한 하우징(160)에 형성된 배선구멍를 통하여, 모터 동력선(180)이 배치되어 있다. 모터 동력선(180)은, 절연기판(123a)에 탑재된 커넥터(190)에 접속되어 있고, 커넥터(190)를 통하여, 절연기판(123a)에 형성된 결선 패턴(도면에는 나타내지 않는다)에 접속되어 있다. 또한 ＰＷＢ모터(120)로서 도3에 나타내는 구성의 모터를 사용할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 로터리 액츄에이터(100)는, 액시얼갭형의 ＰＷＢ모터(120)를 사용하고 있다. 래디얼갭형의 SＰＭ모터를 사용하고 있는 종래의 로터리 액츄에이터에 비하여, 축길이를 짧게 할 수 있고 또한 그 중공직경을 크게 할 수 있다. 특히, 모터 중공부(125)를 대경으로 하는 것이 가능하다. 또한 일반적으로 사용되고 있는 SＰＭ모터에 비하여, 부품수, 조립공수가 적고, 제조비용도 감소시킬 수 있다. 각 돌극 권선의 절연 때문에 복잡한 형상의 인슐레이터를 사용할 필요가 없다. 또한 모터 스테이터에는 전자강판을 사용하지 않고 있으므로 코깅토크(cogging torque)가 발생할 우려도 없다.
또한 ＰＷＢ모터(120)에서는, 절연기판(123a)의 표면이나 혹은 내부에, 동박에 의한 권선패턴을 형성하면 좋으므로, 정밀도가 높은 권선패턴을 간단하게 형성할 수 있고, 권선 점적률도 높일 수 있다. 또한 권선의 납땝결선작업 등의 수작업이 불필요하게 된다. 또한 동력선과 권선패턴의 접속은, 절연기판(123a)에 탑재된 커넥터(190)을 통하여 형성할 수 있다. 이에 따라 동력선 파손의 영향이 절연기판(123a) 및 권선패턴에 미치는 것을 회피할 수 있다.
(다축(多軸) 로터리 액츄에이터)
앞에서 설명한 바와 같이, 로터리 액츄에이터(100)에 있어서, ＰＷＢ모터(120)는 액시얼갭형의 모터로서, 래디얼 방향으로 구성부품을 배열할 필요가 없기 때문에, 모터 중공부(125)의 중공직경을 크게 하는 것이 용이하다. 예를 들면 후단으로 개구하고 있는 모터 중공부(125)의 대경 중공부의 중공직경을, 전단(前段)에 배치되어 있는 출력축(140) 전단부분의 외경치수보다도 큰 치수로 설정하는 것이 용이하다. 이렇게 치수를 설정하면, 로터리 액츄에이터(100)을 축선방향으로, 동축으로 연결하여 다축 로터리 액츄에이터를 구성할 수 있다.
도5는, 동일한 치수 및 동일한 구성의 로터리 액츄에이터(100(1), 100(2))를 축선방향으로 연결한 구성의 2축 로터리 액츄에이터(200)을 나타내는 개략적인 종단면도이다. 전단의 로터리 액츄에이터(100(1)) 및 후단의 로터리 액츄에이터(100(2))는, 상기한 로터리 액츄에이터(100)와 동일한 치수 및 동일한 구조이므로, 그들 구조의 설명은 생략한다. 전단의 로터리 액츄에이터(100(1))의 후단으로 개구하고 있는 모터 중공부(125(1))에, 후단의 로터리 액츄에이터(100(2))의 출력축(140(2))의 전단부분을 회전이 가능한 상태로 동축으로 삽입한다. 이 상태로 쌍방의 로터리 액츄에이터(100(1), 100(2))을 연결하여 고정한다. 모터 중공부(125(1))의 후단부분을 규정하고 있는 인코더 커버(151(1))의 중심개구부(152(1)) 내주 가장자리부와 후단의 출력축(140(2)) 외주면 사이는, 인코더 커버(151(1))에 부착된 오일씰(153(1))에 의하여 밀봉된다.
동일한 치수의 로터리 액츄에이터(100(1), 100(2))를 동축으로 연결함으로써, 전단의 출력축(140(1))과 후단의 출력축(140(2))을 같은 축상에 배치할 수 있다. 동일하게 하여 3대 이상의 동일한 치수의 로터리 액츄에이터(100)를 동축으로 연결함으로써, 다축 로터리 액츄에이터를 구성할 수 있다.
2축 로터리 액츄에이터(200) 혹은 다축 로터리 액츄에이터에는, 그 중심을 관통하여 연장되는 큰 내경(內徑)의 중공부가 형성된다. 이 중공부를, 다수 개의 배선, 배관을 통과시키기 위한 스페이스(space)로서 이용할 수 있다. 또한 볼나사(ball 螺絲) 등의 동력전달 부재를 설치하기 위한 스페이스로서 이용할 수 있다. 또한 레이저광(laser 光) 등의 광로(光路)로서 이용할 수 있다.
도6은, 서로 다른 치수 및 동일한 구성의 로터리 액츄에이터(100(1), 100(3))를 축선방향으로 연결한 구성의 2축 로터리 액츄에이터(300)를 나타내는 개략적인 종단면도이다. 로터리 액츄에이터(100(1))는 상기한 로터리 액츄에이터(100)와 동일한 치수 및 동일한 구성이다. 로터리 액츄에이터(100(3))는, 로터리 액츄에이터(100)와 동일한 구성이지만, 치수가 훨씬 작다. 본 예에서는, 로터리 액츄에이터(100(3))의 하우징(160(3)) 외경치수가, 로터리 액츄에이터(100(1))의 모터 중공부(125(1)) 후측의 대경 중공부 내경치수보다도 작은 치수로 설정되어 있다. 또한 로터리 액츄에이터(100(3))의 출력축(140(3))의 전단부분 외경치수가, 로터리 액츄에이터(100(1))의 모터 중공부(125(1)) 앞측의 소경 중공부의 내경치수보다도 작은 치수로 설정되어 있다.
도6에 나타내는 바와 같이, 앞측의 큰 치수의 로터리 액츄에이터(100(1))의 모터 중공부(125(1))의 후단 개구부측으로, 후측의 작은 치수의 로터리 액츄에이터(100(3))를 동축상태로 삽입한다. 이 상태로 쌍방의 로터리 액츄에이터(100(1), 100(3))의 하우징 상호간을 연결한다. 또한 쌍방의 로터리 액츄에이터(100(1), 100(3)) 사이를 오일씰(153(1))로 밀봉한다. 이에 따라 축길이가 짧은 2축 로터리 액츄에이터(300)를 구성할 수 있다.

Claims (5)

  1. 모터(motor) 및 이 모터의 출력회전을 감속시켜 출력하도록 상기 모터에 연결된 파동기어감속기(波動 gear 減速機)를 구비한 로터리 액츄에이터(rotary actuator)에 있어서,
    상기 모터는, 모터축과, 상기 모터축의 중심축선 방향으로 일정한 간격을 두고 대향하고 있는 모터 회전자(motor 回轉子), 및 모터 스테이터(motor stator)를 구비한 액시얼갭형(axial gap type)의 모터로서,
    상기 모터 회전자는, 상기 모터축에 동축으로 고정된 회전자 원반과 이 회전자 원반에 고정된 회전자 마그넷(回轉子 magnet)을 구비하고 있고,
    상기 모터 스테이터는, 절연기판(絶緣基板)과, 이 절연기판의 표면이나 혹은 내부에 형성된 프린트 배선(print 配線)에 의하여 규정되는 모터코일(motor coil)을 구비하고 있고,
    상기 모터축은, 당해 모터의 중심부분을 상기 중심축선 방향으로 관통하여 연장되는 중공모터축(中空 motor 軸)으로서,
    상기 중공모터축의 중공부에 의하여 모터 중공부가 형성되어 있고,
    상기 파동기어감속기는, 상기 파동기어감속기를 상기 중심축선 방향으로 관통하여 연장되는 감속기 중공부(減速機中空部)를 구비하고 있고,
    상기 감속기 중공부와 상기 모터 중공부는 동축상태로 연결되어 있고,
    상기 감속기 중공부는, 상기 중심축선 방향의 일방(一方)인 액추에이터 전방으로 개구하고 있고,
    상기 모터 중공부는, 상기 중심축선 방향의 타방(他方)인 액추에이터 후방으로 개구하고 있고,
    상기 파동기어감속기는, 강성(剛性)의 내치기어(內齒gear)와, 이 내치기어의 내측에 동축으로 배치된 가요성(可撓性)의 외치기어(外齒gear)와, 이 외치기어를 타원형모양으로 휘어지게 하여 상기 내치기어에 대하여 부분적으로 교합시키도록 상기 외치기어의 내측에 장착되어 있는 파동발생기(波動發生器)와, 상기 중공모터축과 일체로 회전하는 중공입력축(中空入力軸)과, 감속회전(減速回轉)을 출력하는 중공출력축(中空出力軸)을 구비하고 있고,
    상기 파동발생기는, 타원형 외주면을 구비한 강성 플러그(剛性 plug)와, 상기 타원형 외주면과 상기 외치기어 사이에 장착된 웨이브 베어링(wave bearing)을 구비하고 있고,
    상기 강성 플러그는, 상기 중공입력축의 외주면에 동축으로 고정되어 있거나 또는 상기 외주면에 일체로 형성되어 있고,
    상기 내치기어 및 상기 외치기어 중의 일방은 고정측 부재이고, 타방은 회전측 부재이며,
    상기 회전측 부재에 상기 중공출력축이 동축으로 연결되고 고정되어 있고,
    상기 중공출력축은, 상기 액추에이터 전방의 끝에 배치되어 있고,
    상기 모터 중공부에 대하여, 상기 액추에이터의 후방측으로 상기 중공출력축을 삽입할 수 있도록, 상기 모터 중공부의 내경치수 및 상기 중공출력축의 외경치수가 설정되어 있는 로터리 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    통모양의 하우징(housing)과,
    상기 내치기어에 대하여 상기 외치기어를 상대회전이 가능한 상태로 지지하기 위한 베어링을
    구비하고 있고,
    상기 하우징의 내부에 상기 모터 및 상기 파동기어감속기가 조립되어 있고,
    상기 내치기어는 상기 하우징에 일체로 형성되거나 혹은 상기 하우징에 고정되어 있는 상기 고정측 부재이며,
    상기 외치기어는 상기 회전측 부재로서, 원통모양 몸통부와, 이 원통모양 몸통부 일체로부터 반경방향의 내방으로 연장되는 다이어프램(diaphragm)과, 상기 다이어프램의 내주 가장자리에 연속하여 형성된 원환상 보스(圓環狀 boss)를 구비하고 있고,
    상기 보스는 상기 중공출력축에 동축으로 연결되고 고정되어 있고,
    상기 중공출력축은, 상기 베어링을 통하여 상기 하우징에 의하여 회전이 가능한 상태로 지지되어 있는 로터리 액츄에이터.
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