KR20160138488A - 회전구동장치 - Google Patents

Abstract

중량 밸런스의 변화에 의해 회전체를 회전시키는 회전구동장치에 대해, 회전을 효율적으로 또한 충돌음적인 소음을 거의 발생시키지 않고 행할 수 있도록 한다. 점 O를 중심으로 회전가능한 회전체(5)와, 그 회전상태를 검지할 수 있는 회전검지수단(6)과, 회전체(5)에 설치된 6개의 회전무게추 장치(7a~7f)와, 회전체(5)의 회전으로 발전하는 발전장치(8)를 갖고, 회전무게추 장치(7a~7f)는, 회전체(5)에 대해 점 O를 중심으로 하는 6점 대칭의 위치에 회전가능하게 축착된 회전 암(10)과, 회전 암(10)을 회전체(5)와 같은 속도로 반대 회전으로 회전시키는 모터(11)와, 회전 암(10)의 자유단측에 설치된 무게추(12)를 구비하고 있고, 모든 회전무게추 장치(7a~7f)는 회전 암(10)이 같은 측의 가로를 향하도록 모터(11)에서 제어되는 것이고, 모든 회전 암(10)의 무게추(12)의 점 O를 중심으로 하는 중량 밸런스에 의해 회전체(5)를 회전시키도록 한 회전구동장치(1)를 제공한다.

Description

회전구동장치{ROTATION DRIVE DEVICE}

본 발명은 점 O를 중심으로 회전가능한 회전체의, 그 점 O를 중심으로 하는 중량 밸런스(balance)에 의해 연속회전시킬 수 있는 회전구동장치에 관한 것이다.

수직면 내에서 중심축을 중심으로 회전가능한 원형의 회전판과, 그 회전판의 주변에 대해 상기 중심축을 중심으로 하는 32점 대칭의 위치에 회전가능하게 설치된 32개의 추걸이봉과, 그 추걸이봉의 자유단측에 설치된 추를 갖고, 회전판의 회전에 따라 배치가 변하는 추의 중량 밸런스에 의해 회전판을 더 회전시키도록 한 회전구동장치가 예컨대 특허문헌 1에 기재되어 있다.

특허문헌 1: 특개평 4-342878호 공보

특허문헌 1의 회전구동장치는 추의 자유운동으로 추걸이봉이 쓰러져서 중량 밸런스가 변하도록 되어 있다. 따라서, 추걸이봉이 쓰러졌을 때의 추의 반동이 회전판에 작용하기 때문에, 회전판의 원활한 회전이 저해되고, 나아가서는 그러한 회전판의 회전 동요가 에너지 손실(loss)로 이어질 우려가 있었다. 또한, 추걸이봉이 쓰러져 정지할 때, 부재끼리의 충돌음이 주기적으로 발생하기 때문에, 정숙성도 결여되는 문제도 있었다.

본 발명은 상기를 감안한 것으로서, 중량 밸런스의 변화에 의해 회전체를 회전시키는 회전구동장치에 있어서, 회전체의 회전을 효율적으로 또한 충돌음적인 소음을 거의 발생시키지 않고 행할 수 있도록 하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

수직면 내에서 점 O를 중심으로 회전가능한 회전체와,

그 회전체의 회전상태를 검지할 수 있는 회전검지수단과,

상기 회전체에 설치된 X개(X는 2 이상의 정수)의 회전무게추 장치와,

상기 회전체의 회전으로 발전하는 발전장치를 갖고,

상기 회전무게추 장치는,

상기 회전체에 대해 상기 점 O를 중심으로 하는 대략 X점 대칭의 위치에 회전가능하게 축착(軸着)된 회전 암(arm)과,

그 회전 암을 상기 회전체와 같은 회전 속도로 반대 회전으로 회전시키는 모터와,

상기 회전 암의 자유단측에 설치된 무게추를 구비하고 있고,

모든 회전무게추 장치는 모든 회전 암이 같은 측의 가로를 향하도록 상기 모터에서 제어되는 것이고, 모든 회전 암의 자유단측에 설치된 모든 무게추의 상기 점 O를 중심으로 하는 중량 밸런스에 의해 상기 회전체를 회전시키도록 한 회전구동장치를 제공한다.

또한, 여기서, 점 O를 중심으로 하는 대략 X점 대칭의 위치에 회전가능하게 축착된 회전 암이란, 점 O의 둘레에 대략 (360°/X)° 간격으로 설치된 축에 의해 회전 암이 회전가능하게 지지되어 있는 것을 말한다.

또한, 청구항 2에 기재된 바와 같이, 상기 모터는, 상기 회전체가 시계회전으로 회전하는 방향에 서서 보았을 때, 상기 무게추가 항상 대략 3시 방향을 향하도록 상기 회전 암을 제어하는 것인 청구항 1 기재의 회전구동장치를 제공한다.

또한, 청구항 3에 기재된 바와 같이, 상기 모터의 원동축과 상기 회전 암은 기어 전동기구를 개재하여 연결되어 있고, 그 기어 전동기구의 감속비를 크게 하여 회전 암측으로부터 모터의 원동축에 역전동되지 않도록 되어 있는 청구항 1 또는 2 기재의 회전구동장치를 제공한다.

또한, 청구항 4에 기재된 바와 같이, 상기 발전장치에 의해 발전된 전기를 배터리에 축전하고, 그 배터리의 전기를 상기 모터에 공급하도록 한 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항 기재의 회전구동장치를 제공한다.

본 발명의 회전구동장치는, 점 O를 중심으로 하는 대략 X점 대칭의 위치에 배치된 회전 암을 회전체의 회전방향과는 역방향으로 동기적으로 회전시키도록 하였기 때문에, 모든 회전 암의 자세가 항상 같은 측의 가로를 향한다. 따라서 회전 암의 자유단측에 설치된 무게추는, 회전 암의 회전 중심에 대해 항상 같은 측의 가로의 위치에 있기 때문에, 회전체의 점 O를 중심으로 하는 전체 중량 밸런스는 항상 한쪽으로 치우친 상태가 된다. 이 한쪽으로 치우친 중량 밸런스에 의해 회전체가 점 O를 중심으로 회전한다. 게다가, 무게추의 이동은 회전체의 회전에 동조하고 있기 때문에, 중량 밸런스의 변화에 기복이 없이 원활하고, 따라서 회전체의 회전이 효율적으로 행해지고, 또한, 충돌음적인 소음도 거의 발생하지 않는다.

또한, 청구항 2 기재의 회전구동장치와 같이, 상기 회전체가 시계 회전으로 회전하는 방향에 서서 보았을 때, 무게추가 항상 대략 3시 방향을 향하도록 회전 암을 제어하도록 하면, 중량 밸런스의 좌우차를 크게 설정할 수 있기 때문에, 회전체를 효율 좋게 회전시킬 수 있다.

또한, 청구항 3 기재의 회전구동장치와 같이, 모터의 원동축과 회전 암을 감속비가 큰 기어 회전기구로 연결하고, 이렇게 하여 회전 암측으로부터 모터의 원동축에 역전동되지 않도록 하면, 예컨대 정기적인 점검 등을 위해 회전체에 브레이크를 걸어 회전을 멈추고, 모터에의 통전을 멈추어도 회전 암은 그대로 횡방향 자세를 유지하기 때문에, 운전 재개가 용이하다.

또한, 청구항 4 기재의 회전구동장치와 같이, 발전장치에 의해 발전된 전기를 배터리에 축전하고, 그 배터리의 전기를 상기 모터에 공급하도록 하면, 일정 조건하에서 회전체를 계속 회전시키는 것이 가능하게 된다.

[도 1] 회전체가 시계 회전으로 회전하는 방향에서 본 회전구동장치의 단면도이다.
[도 2] 회전구동장치의 중앙 종단면도이다.
[도 3] 도 1의 요부 확대도이다.
[도 4] 도 2의 요부 확대도이다.
[도 5] 회전무게추 장치를 도시하는 사시도이다.
[도 6] 도 2의 V부의 확대도이다.

이하에 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하며 설명한다.

회전구동장치(1)는 도 1, 도 2에 도시한 바와 같이, 고정적인 장치 기대(2)의 상면에 복수의 축받이(3, 3, 3)로 수평 또한 회전이 자유롭게 설치된 회전축(4)과, 중심점 O에 상기 회전축(4)을 삽통하여 그 회전축(4)에 고착함으로써 수직면 내에서 회전할 수 있도록 되어 있는 회전체(5)와, 그 회전체(5)의 회전 상태를 검지할 수 있는 회전검지수단(6)과, 회전체(5)에 대해 상기 점 O를 중심으로 하는 6점 대칭의 위치에 설치된 6개의 회전무게추 장치(7a~7f)와, 회전체(5)의 회전력으로 발전하는 발전장치(8)로 개략 구성된다.

[회전체]

상기 회전체(5)는, 회전축(4)의 축방향으로 소정의 간격을 이격하여 고착된 2매의 원판(5a, 5b)과, 그 원판(5a, 5b)끼리의 간격을 유지하도록 원주 위치에 등간격으로 설치된 6매의 주측판(5c, 5c...)으로 이루어진다.

[회전검지수단]

상기 회전검지수단(6)은, 도 2, 도 6에 도시한 바와 같이 장치 기대(2)의 상면 후방(도 2에서 우단)에 장착되어 있고, 그 내부에 상기 회전축(4)의 후단부가 삽통되어 있다. 그리고, 이 회전축(4)의 회전 상태(주로 회전 속도)를 검지함으로써, 회전축(4)과 일체의 회전체(5)의 회전 상태를 검지할 수 있다.

실시형태의 회전검지수단(6)은 제어 모터(6a)와, 그 제어 모터(6a)의 출력축과 상기 회전축(4)을 연결하는 기어 전동기구로 개략 구성되어 있다. 이 기어 전동기구는, 제어모터(6a)의 출력축에 장착한 웜(worm)(6b)과 회전축(4)에 장착한 웜 휠(worm wheel)(6c)의 조합 또는 도시하지 않지만 평기어끼리의 조합이고, 감속비를 20:1~10:1 정도로 크게 하여 회전축(4)측으로부터 제어모터(6a)의 출력축에 용이하게는 역전동되지 않도록 되어 있다. 이 회전검지수단(6)을 사용하여 회전체(5)의 회전 상태를 검지하는 방법에 대해서는 후술한다.

[회전무게추 장치]

상기 회전무게추 장치(7a~7f)는, 상기와 같이 회전체(5)에 대해 점 O를 중심으로 하는 6점 대칭의 위치에 6개 설치되어 있지만, 모든 회전무게추 장치(7a~7f)는 전부 동일 구성이므로, 그 구성의 상세를 도 3~도 5에 의해 하나의 회전무게추 장치(7a)에 대해 설명한다.

도 3~도 5에 도시한 바와 같이 회전무게추 장치(7a)는 상기 회전체(5)의 원판(5a, 5b) 사이에 회전가능하게 지지된 종동축(9)과, 그 종동축(9)에 일체로 설치되어 원판(5a, 5b)간의 스페이스에 회전가능하게 축착된 2매 1조의 회전 암(10)과, 그 회전 암(10)을 회전시키기 위해 원판(5a)의 전면에 설치된 모터(11)와, 회전 암(10)의 자유단측에 설치된 무게추(12)를 구비하고 있다.

상기 모터(11)의 원동축(11a)과 회전 암(10)은 기어 전동기구를 개재하여 연결되어 있다. 이 기어 전동기구는 모터(11)의 원동축(11a)에 설치된 웜(13a)과, 회전 암(10)과 일체의 종동축(9)에 설치된 웜 휠(13b)의 조합이고, 감속비를 20:1 정도로 크게 하여 회전 암(10)에 큰 회전력을 전달하고 또한 회전 암(10)측으로부터의 회전력이 모터(11)의 원동축(11a)에 역전동되지 않도록 되어 있다. 또한, 도 중 부호 (14)는 기어 전동기구를 덮는 기어 박스이다.

상기 모터(11)는 회전 암(10)을 상기 회전검지수단(6)으로 검지되는 회전체(5)의 회전에 동기시켜 반대 회전으로 회전시키는 것이고, 회전체(5)가 시계 회전으로 회전하는 방향에 서서 본 도 1의 상태에서, 상기 무게추(12)가 항상 3시 방향을 향하도록 회전 암(10)을 제어한다.

[발전장치]

상기 발전장치(8)는 장치 기대(2)의 전방(도 2에서 좌측)의 내부에 설치되어 있고, 회전체(5)의 회전축(4)에 전동기구를 개재하여 연결되어 있다. 이 전동기구는 벨트 전동기구와 기어 전동기구(도시 생략)와 클러치(15)를 조합한 것으로서, 회전축(4)측의 대지름인 원동 풀리(16a)와 기어 전동기구측의 소지름인 종동 풀리(16b)에 무단 벨트(16c)를 걸쳐서 이루어지는 벨트 전동기구로 회전축(4)의 회전을 증속하고, 또한 기어 전동기구로 회전축(4)의 회전을 증속하여 발전장치(8)에 전달하고, 또한 클러치(15)에서 회전축(4)과 발전장치(8)를 단속시킨다. 또한, 발전장치(8)는 도시하지 않은 배터리에 접속되어 있고, 발전한 전기는 일단 배터리에 저장되고, 거기로부터 각 모터(11)에 공급할 수 있다.

[그 외]

그 외, 도 2에서 부호 (17)은 회전축(4)의 전방에 설치된 브레이크, 부호 (18, 18)은 회전축(4)의 도중에 설치된 슬립 링이다. 이 슬립 링(18, 18)은 회전체(5)와 함께 회전하는 모터(11)에 대해 전력을 공급하고, 또한 회전제어신호 등을 모터(11)에 송신하기 위한 것이다.

[작동설명]

이상과 같이 구성되는 회전구동장치(1)의 작동에 대해 설명한다.

먼저, 준비단계로서 회전축(4)을 브레이크(17)로 제동하여 회전체(5)를 록(lock)하여 두고, 그 상태에서 각 회전무게추 장치(7a~7f)의 모터(11, 11...)를 작동시켜 각각의 회전 암(10, 10...)을 횡방향의 3시 방향으로 설정하고, 또한 클러치(15)를 꺼서 발전장치(8)와 회전축(4)을 분리하여 둔다.

회전 암(10, 10...)을 횡방향의 3시 방향으로 설정한 상태에서의 회전체(5)의 점 O를 중심으로 하는 중량 밸런스는 각 회전무게추 장치(7a~7f)의 무게추(12)의 배치에 의해 도 1에 도시한 바와 같이 우측으로 기울어져 치우친 상태로 되어 있다.

따라서 회전체(5)에는 점 O를 중심으로 하여 도 1에서 시계 회전의 회전력이 작용하지만, 브레이크(17)의 제동력과, 상기한 기어 전동기구의 역전동성 즉 웜(6b)과 웜 휠(6c) 또는 평기어끼리의 큰 감속비에 의해 회전축(4)에 작용하는 회전력이 웜(6b)에서 멈춰짐에 의한 제동력에 의해 회전체(5)가 정지 상태를 유지한다.

다음으로, 회전구동장치(1)의 브레이크(17)를 해제하고, 동시에 회전검지수단(6)의 제어모터(6a)를 회전시킨다. 그러면 회전체(5)의 점 O를 중심으로 하는 중량 밸런스에 의해 회전체(5)가 도 1에서 시계 회전으로 회전을 시작한다. 다만 이 회전체(5)의 회전은 자유는 아니고, 기어 전동기구를 개재하여 연결되어 있는 제어모터(6a)의 회전에 의해 웜 휠(6c)이 회전한 만큼만 회전한다. 즉, 회전체(5)의 회전은 회전검지수단(6)의 제어모터(6a)의 회전에 종속하는 것으로서 제어모터(6a)의 회전수에 비례한다. 따라서, 제어모터(6a)를 제어함으로써 회전체(5)의 회전을 제어할 수 있고, 또한 제어모터(6a)의 회전수로 회전체(5)의 회전상태를 검지할 수 있다. 또한, 제어모터(6a)는 기어 전동기구의 역전동성으로 제동되고 있는 회전체(5)의 회전력을 해방할 뿐이고, 회전체(5)를 회전시킬 필요는 없기 때문에 거의 부하가 걸리지 않는다.

이러한 회전검지수단(6)에 의한 회전체(5)의 회전정보를 받아서 회전무게추 장치(7a~7f)의 모터(11)가 작동하고, 회전 암(10)을 회전체(5)와 같은 회전 속도로 반대 회전으로 회전시킨다. 따라서 모든 회전 암(10)은 항상 도 1에서 3시 방향으로 무게추(12)를 향하게 하고 있다. 따라서, 회전체(5)의 점 O를 중심으로 하는 중량 밸런스는 항상 도 1에서 우측으로 기울어져 치우쳐 있고, 그 치우친 중량 밸런스에 의해 회전체(5)가 점 O를 중심으로 회전한다.

또한, 회전검지수단(6)의 기어 전동기구와, 회전무게추 장치(7a~7f)의 기어 전동기구의 감속비를 같게 하면 제어모터(6a)의 회전수와 회전무게추 장치(7a~7f)의 모터(11)의 회전수를 같게 하는 것만으로 회전체(5)와 회전 암(10)의 회전을 간단히 동기시킬 수 있다.

회전체(5)의 회전이 어느 정도의 속도에 도달한 시점에서 클러치(15)를 이으면, 회전축(4)과 발전장치(8)가 전동기구를 개재하여 연결되기 때문에 발전이 개시되고, 그 전기가 배터리에 축전됨과 함께 그 배터리로부터 회전무게추 장치(7a~7f)의 모터(11)에 전기가 공급된다.

실시예 1

상기 구성의 회전구동장치(1)는 다음과 같은 사양으로 제조할 수 있다.

직경 1292mm, 두께 4.5mm의 철제 원판(5a, 5b)을 91mm의 간격을 두고 접합하여 상기 회전체(5)로 한다.

상기 원판(5a)의 중심인 점 O로부터 반경 418mm의 원상에 회전 암(10)의 종동축(9)의 중심이 위치하도록 6개의 회전무게추 장치(7a~7f)를 60도 간격으로 6점 대칭의 위치에 설치한다.

직경 136mm, 무게 약 4.3kg의 금속 원판으로 상기 회전무게추 장치(7a~7f)의 무게추(12)를 형성한다.

상기 회전 암(10)은, 종동축(9)의 중심으로부터 무게추(12)의 중심까지의 유효 암 길이를 약 160mm로 설정한다.

회전무게추 장치(7a~7f)의 모터(11)는 야스카와 전기 주식회사제의 AC 서보 모터(SGMJV-01A 3AHB2C 100W)를 사용하고, 모터(11)의 원동축(11a)과 회전 암(10)을 잇는 웜(13a)과 웜 휠(13b)의 감속비를 20:1로 한다.

회전검지수단(6)의 제어모터(6a)는 야스카와 전기 주식회사제의 AC 서보 모 터(SGMJV-02A 3AHB2C 200W)를 사용하고, 제어모터(6a)의 출력축과 회전축(4)을 잇는 기어 전동기구는 감속비를 10:1로 한 평기어끼리의 조합으로 한다.

상기 발전장치(8)는 주식회사 스카이 전자 제조의 발전기(SKY-HG350W)로 한다.

회전축(4)의 회전이 63배로 증속되어 발전장치(8)에 전달되도록 전동기구의 기어비 등을 설정한다.

이러한 사양의 회전구동장치(1)를 시제작하고, 회전체(5)를 약 5.6rpm으로 회전시키는 운전을 2시간 실시한바, 발전장치(8)를 약 350rpm으로 원활하고 또한 안정적으로 회전시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 이 때의 회전구동장치(1)의 전체 소비 전력은 976Wh이고, 본 시제작기에서는 배터리를 생략했기 때문에, 외부의 전원으로부터 공급하였다. 또한, 발전장치(8)의 상기 발전기의 기본 사양에 의하면, 350rpm의 회전수에서 2192Wh(브릿지로 정류 후의 직류 수치)의 전기가 발전되고 있고, 부하로서 접속한 전열기가 정상적으로 발열하였다.

이상, 본 발명을 실시형태에 대해 설명하였지만, 물론 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 실시형태는 회전무게추 장치(7a~7f)를 6개로 하였지만, 그보다 적어도 반대로 그보다 많아도 된다. 바람직하게는 6개 이상이 좋다.

또한, 실시형태에서는 회전체(5)를 하나로 하였지만, 회전체(5)를 동축상에 복수개 설치하고, 이웃하는 회전체(5, 5)끼리의 회전 방향이 역방향이 되도록 회전무게추 장치(7a~7f)의 방향을 설정해도 된다. 이 경우, 이웃하는 회전축(4, 4)끼리의 경계부에 회전 방향 전환장치(예컨대 한 쌍의 대향 베벨 기어와, 양 베벨 기어간에서 양자에 맞물리는 중간 베벨 기어의 조합)를 개재시키고, 한 쪽의 회전축(4)의 회전 방향이 역방향으로 변환되어 다른 쪽의 회전축(4)에 전달되도록 하면 좋다. 이렇게 회전체(5)를 동축상에 복수개 설치하여 회전축(4, 4)끼리를 연결하고, 이렇게 이웃하는 회전체(5, 5)끼리의 회전 방향이 역방향이 되도록 한 경우에는, 회전체(5)의 중량 밸런스의 치우침을 다른 한 쪽의 회전체(5)의 중량 밸런스의 치우침으로 사라지게 할 수 있기 때문에, 회전구동장치(1) 전체의 중량 밸런스를 좋게 할 수 있다.

또한, 실시형태에서는 회전체(5)가 시계 회전으로 회전하는 방향에 서서 보았을 때, 무게추(12)가 항상 3시 방향을 향하도록 하였지만, 2시나 4시 방향으로 약간 어긋나 있어도 된다. 물론 그러한 어긋남은 회전체(5)의 회전 효율을 저하시키는 요인이 될 수 있기 때문에, 바람직하게는 무게추(12)가 정확히 3시 방향을 향하도록 하는 것이 좋다.

또한, 실시형태에서는 회전검지수단(6)을 제어모터(6a)와 기어 전동기구의 조합으로 형성하였지만, 회전체(5)의 회전을 적당한 센서 등으로 직접 검지하도록 해도 된다.

Claims (4)

1. 수직면 내에서 점 O를 중심으로 회전가능한 회전체와,
   그 회전체의 회전상태를 검지할 수 있는 회전검지수단과,
   상기 회전체에 설치된 X개(X는 2 이상의 정수)의 회전무게추 장치와,
   상기 회전체의 회전으로 발전하는 발전장치를 갖고,
   상기 회전무게추 장치는,
   상기 회전체에 대해 상기 점 O를 중심으로 하는 대략 X점 대칭의 위치에 회전가능하게 축착(軸着)된 회전 암(arm)과,
   그 회전 암을 상기 회전체와 같은 회전 속도로 반대 회전으로 회전시키는 모터와,
   상기 회전 암의 자유단측에 설치된 무게추를 구비하고 있고,
   모든 회전무게추 장치는 모든 회전 암이 같은 측의 가로를 향하도록 상기 모터에서 제어되는 것이고, 모든 회전 암의 자유단측에 설치된 모든 무게추의 상기 점 O를 중심으로 하는 중량 밸런스에 의해 상기 회전체를 회전시키도록 한 것을 특징으로 하는 회전구동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 모터는, 상기 회전체가 시계회전으로 회전하는 방향에 서서 보았을 때, 상기 무게추가 항상 대략 3시 방향을 향하도록 상기 회전 암을 제어하는 것인 것을 특징으로 하는 회전구동장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모터의 원동축과 상기 회전 암은 기어 전동기구를 개재하여 연결되어 있고, 그 기어 전동기구의 감속비를 크게 하여 회전 암측으로부터 모터의 원동축에 역전동되지 않도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 회전구동장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발전장치에 의해 발전된 전기를 배터리에 축전하고, 그 배터리의 전기를 상기 모터에 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 회전구동장치.

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