KR20220056818A - 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 백래쉬(Backlash)를 최소화할 수 있는 동력전달 구조를 갖는 액추에이터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 액추에이터는 제1 및 제2 수용공간을 갖는 하우징; 상기 하우징의 제1수용공간에 설치된 BLDC 방식의 모터를 구비하고 로터로부터 회전 출력을 발생하는 구동모터; 상기 구동모터 상측에 설치되어 외부 제어신호의 수신에 따라 모터 구동신호를 발생하는 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB); 상기 인쇄회로기판(PCB)의 상부에 길이방향으로 설치되어 상기 구동모터의 회전 출력을 감속하여 토크를 증대시키기 위한 기어트레인; 및 상기 하우징의 제2수용공간에 설치되며 기어트레인을 통하여 전달된 토크 증대된 회전 출력을 하우징 외부로 출력하는 출력축;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

액추에이터{Actuator}

본 발명은 액추에이터에 관한 것으로, 특히 백래쉬(Backlash)를 최소화할 수 있는 동력전달 구조를 갖는 액추에이터에 관한 것이다.

전동 액추에이터(Actuator)는 회전 동력원으로부터 발생된 회전력을 토크 변환하여 얻어진 고토크 회전력으로 피동체를 회전 또는 직선 운동시키는 역할을 한다.

일반적으로, 종래의 액추에이터는 회전 동력원으로서 DC 모터를 사용하며, DC 모터의 로터 출력은 로터 출력단에 일체로 형성된 웜 기어(Worm Gear)와 복수의 스퍼 기어(Spur Gear)가 기어결합된 기어트레인(Gear Train)을 통하여 토크 변환되어 액추에이터 출력단으로부터 고토크 회전 출력을 발생한다.

이러한 종래의 전동 액추에이터는 회전 동력원으로서 외부 케이싱을 갖는 DC 모터를 사용하므로 로터의 위치 센싱용 마그넷을 케이싱 내부에 내장하지 못하고 외부에 별도로 부착하고 이를 홀센서를 이용하여 센싱하므로, 모터구동회로가 내장된 인쇄회로기판(PCB)으로부터 홀센서를 연결하는 구조가 복잡하다.

만약 액추에이터가 홀센서를 사용하지 않는 경우는 단지 정,역 회전 운동만이 가능하다.

일반적으로 액추에이터는 사용 특징상 제품 전체적으로 하우징의 높이는 낮고, 가로와 세로 중 하나가 긴 형태로 구성으로 되어 있어, 외부 케이싱을 갖는 DC 모터를 하우징 내부 바닥에 수직으로 장착하는 구조를 채택하기 힘들다.

DC 모터를 사용하는 경우 정,역 회전 운동하는 출력축(output shaft)에서 외압을 가할시에 멈춰 있는 위치를 고수해야하므로, 웜 기어를 사용하여 제동 토크(Brake torque)를 높여야 한다.

DC 모터에 웜 기어와 웜 휠(worm wheel)을 사용하고 출력축이 있는 위치까지 동력을 전달하려면 일반적으로 스퍼 기어(Spur Gear)를 사용하여 연결하고 있으며, 이러한 경우 다음과 같은 문제가 존재한다.

첫째, 액추에이터의 하우징 높이가 낮아 DC 모터를 일반적으로 눕혀서 적용하는 문제가 있어 조립 구조에 어려움이 있고, 단가가 상승한다. 즉, DC 모터의 케이싱과 웜 샤프트(worm Shaft)를 잡아줘야 하는 베어링으로 인하여 조립공간 확보에 문제가 있다.

둘째, 콘트롤러에서 모터 전원을 연결하는 구조가 복잡해진다.

셋째, 액추에이터에서 정확한 위치 제어를 위해서 로터의 위치 정보가 필요하다. 이를 위해 DC 모터의 웜 기어 밑단에 위치 센싱용 마그넷을 넣고, 위치 센싱용 홀센서 IC를 적용하기 때문에 DC 전원을 사용하고 위치 센싱을 하기 위해서는 인쇄회로기판(PCB)에 홀센서를 연결하는 구조가 복잡하다.

넷째, 큰 감속비를 얻기 위해 구동모터의 회전 동력을 스퍼 기어를 여러 개를 사용하는 기어트레인에서는 공차가 커져서 백래쉬(Backlash)가 커지며 정밀 위치 제어가 어렵다.

한국 공개특허공보 제10-2017-0050869호(특허문헌 1)에는 직류 DC 모터를 포함하는 동력입력부와, 상기 동력입력부에서 구동력을 전달받아 토크를 증강시키는 유성기어를 포함하고 출력축이 구비된 유성감속부와, 상기 유성감속부에서 구동력을 전달받고, 높아진 토크에 비례하여 낮아진 회전수를 증속하고, 일측이 개방되는 탈착가능한 커버가 구비된 증속부 및 상기 증속부에서 전달되는 회전운동을 직선운동으로 변환하도록 나사산이 각설된 나사축과, 상기 나사축에 회전식으로 나사결합되어 나사축의 회전에 의한 진퇴운동을 하는 변위너트가 구비된 실린더부를 포함하는 직류모터를 이용한 전동 액추에이터가 개시되어 있다.

특허문헌 1의 전동 액추에이터는 직류 DC 모터를 사용함에 따라 정밀 위치제어가 어렵고, 토크 증강을 위해 유성감속부를 채택하여 조립 생산성이 떨어지는 문제가 있다.

일반적으로 액추에이터의 크기가 작은 경우, 구동모터의 사이즈가 작아서 출력이 작게 된다. 이 경우 액추에이터의 출력단에 고토크 출력값을 얻기 위해서는 모터의 rpm이 커야 되고 복수개 스퍼 기어를 사용하여 감속비가 커야되므로 소음이 증가하는 문제가 발생한다.

더욱이, 종래에는 액추에이터의 출력축에 구동되는 피동체에 미리설정된 힘 이상의 외력이 인가될 때 슬립(Slip) 기능이 없어 피동체의 복귀로 인한 내부 구조가 파손되는 문제가 있다.

: 한국 공개록특허공보 제10-2017-0050869호

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 동력전달축에 간격을 두고 웜휠과 웜기어를 일체로 형성하여 결합기어수를 최소화시킨 기어트레인 변경 구조에 의해 백래쉬(Backlash)를 최소화할 수 있는 동력전달 구조를 갖는 액추에이터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 소형 구동모터와 기어트레인을 구성하는 웜휠과 웜기어가 일체로 형성된 동력전달축을 하우징 내부에 최적으로 배치하여 사이즈를 소형화시킨 액추에이터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 높이가 낮은 하우징 내부에 ?또賤? DC 모터를 사용하는 종래구조의 문제를 개선하여, 커버와 하우징 바닥에 각각 베어링을 설치하고 알모터 형태의 BLDC 모터를 하우징 바닥에 수직방향으로 조립한 액추에이터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 소음 증가의 요인이 되는 구동모터의 rpm을 낮추면서 감속 기어비가 커지는 것을 방지하기 위해 기어 트레인으로서 다줄 나사의 출력 웜기어를 구비한 액추에이터를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 특징에 따른 액추에이터용 구동모터는 직사각통 형상의 바디 케이스 내부에 제1 및 제2 수용공간을 가지며, 상기 제1수용공간의 바닥에 로터 베어링이 돌출 설치된 하우징; 로터지지체의 하단부가 상기 로터 베어링의 외주에 회전 가능하게 결합되는 로터; 및 상기 로터의 외측에 에어갭을 두고 배치되며 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하는 스테이터;를 포함하며, 상기 로터지지체의 상단 외주부에 제1웜기어가 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 로터는 하단부가 상기 로터 베어링에 회전 가능하게 결합되도록 컵형태로 이루어지고, 상단 외주부에 제1웜기어가 일체로 형성된 로터지지체; 상기 로터지지체의 하단 외주에 배치되어 자기회로를 형성하는 백요크; 및 상기 백요크의 외주에 배치된 복수의 자석;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 로터 베어링은 상기 하우징의 바닥에 돌출 설치되고 요홈이 형성된 베어링 하우징; 및 상기 베어링 하우징의 요홈에 회전 가능하게 내장되며 상단부가 로터지지체의 하부면과 접촉하면서 로터가 회전할 때 마찰력을 감소시키는 베어링;을 포함할 수 있다.

더욱이, 상기 로터지지체의 상부는 상기 커버의 저면에 삽입되어 있는 로터축 베어링에 회전 가능하게 지지될 수 있다.

상기 스테이터는 각각 축방향으로 연장된 선단부가 "T" 형상으로 이루어지는 복수의 티스와 상기 복수의 티스와 상호 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어; 상기 복수의 티스 각각의 코일권선영역을 상하부에서 감싸는 상부 및 하부 인슐레이터; 및 상기 상부 및 하부 인슐레이터의 외주면에 권선되는 코일;을 포함하며, 상기 백요크는 사각형상으로 이루어지고 사각형상의 모서리에는 백요크를 바디 케이스에 고정시키기 위한 관통구멍이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 액추에이터용 구동모터는 상기 구동모터의 상부에 배치되며 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB)을 더 포함하며, 상기 구동모터의 스테이터 코일과 인쇄회로기판(PCB)을 상호 연결하기 위해 선단부가 PCB에 압입되며 내측 홀이 없는 프레스 핏 터미널을 사용할 수 있다.

이 경우, 상기 인쇄회로기판(PCB)의 상부에는 상기 구동모터의 회전 출력을 감속하여 토크를 증대시키기 위한 기어트레인이 설치되고, 상기 제2 수용공간에 상부에 제2웜휠을 구비한 출력축이 설치될 수 있다.

또한, 상기 기어트레인은 동력전달축에 간격을 두고 제1웜휠과 출력 웜기어가 일체로 형성되며, 상기 로터의 상부에 일체로 형성된 제1웜기어에 제1웜휠이 기어결합되고 출력 웜기어가 출력축의 제2웜휠에 기어결합되어 회전 동력을 전달할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 액추에이터용 구동모터는 상기 로터의 상부에 대응하는 인쇄회로기판(PCB)의 하부면에 설치되어 로터의 회전시에 로터위치신호를 발생하는 홀센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 특징에 따른 액추에이터는 제1 및 제2 수용공간을 갖는 하우징; 상기 하우징의 제1수용공간에 설치된 BLDC 방식의 모터를 구비하고 로터로부터 회전 출력을 발생하는 구동모터; 상기 구동모터 상측에 설치되어 외부 제어신호의 수신에 따라 모터 구동신호를 발생하는 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB); 상기 인쇄회로기판(PCB)의 상부에 길이방향으로 설치되어 상기 구동모터의 회전 출력을 감속하여 토크를 증대시키기 위한 기어트레인; 및 상기 하우징의 제2수용공간에 설치되며 기어트레인을 통하여 전달된 토크 증대된 회전 출력을 하우징 외부로 출력하는 출력축;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 액추에이터는 상기 구동모터의 로터의 상부로 연장된 연장부에 일체로 형성된 제1웜기어;를 더 포함하며, 상기 기어트레인은 동력전달축; 상기 동력전달축의 일측에 형성되며 상기 제1웜기어와 기어 결합되는 제1웜휠; 및 상기 동력전달축의 타측에 형성된 제2웜기어;를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제2웜기어는 다줄 나사로 이루어질 수 있다.

상기 출력축은 상부에 상기 동력전달축의 제2웜기어와 기어 결합되는 제2웜휠이 설치되고 하단에 상단 슬립기어가 설치된 제1축; 및 상단에 상단 슬립기어와 물려 있는 하단 슬립기어가 설치되고 하단부가 하우징 외부로 연장된 제2축;을 포함하며, 상기 상단 슬립기어와 하단 슬립기어는 각각 삼각 톱니 형태로 상,하가 물려 있어 단일 방향으로 외압을 가할시 슬립이 발생할 수 있다.

또한, 상기 슬립기어는 일정한 힘 이상이 인가될 경우만 슬립이 발생하도록 코일 스프링(Coil spring) 또는 판 스프링이 하단 슬립기어의 하측에 결합될 수 있다.

상기 제1축의 상부는 커버에 설치된 출력축 베어링에 회전 가능하게 지지되고, 상기 제2축은 상기 바디 케이스의 바닥에 설치된 베어링 하우징에 설치된 한쌍의 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되며, 상기 제2축은 바디 케이스의 외부로 연장될 수 있다.

상기 구동모터는 상기 하우징의 바닥에 돌출 설치된 로터 베어링; 로터지지체의 하단부가 상기 로터 베어링의 외주에 회전 가능하게 결합되는 로터; 및 상기 로터의 외측에 에어갭을 두고 배치되며 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하는 스테이터;를 포함하며, 상기 로터지지체의 상단 외주부에 제1웜기어가 일체로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 액추에이터는 상기 동력전달축의 웜기어에 미리 설정된 크기 이상의 외압이 가해질 때, 상기 동력전달축이 휘거나 이탈이 발생하는 것을 차단하도록 상기 커버의 저면에 간격을 두고 돌출 형성된 제1 및 제2 가이드돌기를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 액추에이터는 상기 바디 케이스의 외부로 연장된 제2축에 키(key)을 이용하여 결합되는 출력결합부를 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 간격을 두고 웜휠과 웜기어가 일체로 형성된 동력전달축을 사용하여 결합기어수를 최소화시킨 기어트레인 변경 구조에 의해 백래쉬(Backlash)를 최소화할 수 있고, 복수의 스퍼 기어를 조합한 기어트레인과 비교하여 전체 사이즈가 감소하고 공간 확보가 가능하여 설계 자유도가 증가하고 원가 절감이 가능하다.

또한, 본 발명에서는 높이가 낮은 하우징 내부에 ?또賤? DC 모터를 사용하는 종래구조의 문제를 개선하여 커버와 하우징 바닥에 각각 베어링을 설치하고 알모터 형태의 BLDC 모터를 조립한 구조에 의해 수직방향 조립 구조의 BLDC 모터를 갖는다.

또한, 본 발명에서는 구동모터의 상부에 모터구동회로가 내장된 인쇄회로기판(PCB)이 설치되므로, 로터위치신호를 검출하기 위한 홀센서를 인쇄회로기판(PCB)의 하부면에 직접 실장할 수 있어 BLDC 모터를 구동모터로 쉽게 채용할 수 있다.

본 발명에서는 소음 증가의 요인이 되는 구동모터의 rpm을 낮추면서 감속 기어비가 커지는 것을 방지하기 위해 기어 트레인으로서 다줄 나사의 출력 웜기어를 구비할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 소형 구동모터와 기어트레인을 구성하는 웜휠과 웜기어가 일체로 형성된 동력전달축을 하우징 내부에 최적으로 배치하여 사이즈를 소형화시킨 액추에이터를 제공할 수 있다.

도 1a 내지 도 1d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 방식의 구동모터를 이용한 액추에이터의 사시도, 평면도, 도 1b의 A-A 선 단면도 및 B-B 선 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 액추에이터의 완전 분해사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 1에 도시된 액추에이터의 커버 분리 사시도 및 모듈별 분해사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 도 1에 도시된 액추에이터에서 동력전달축을 이용하여 구동모터로부터 출력단으로 동력이 전달되는 구조를 나타내는 설명도이다.
도 5는 본 발명에 따른 액추에이터의 조립 순서를 나타내는 플로우 챠트이다.
도 6은 본 발명에 따른 액추에이터의 출력축에 적용되는 상단/하단 슬립기어 결합부를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 방식의 구동모터에 적용되는 웜기어 로터를 나타내는 정면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 각각 도 1에 도시된 액추에이터의 커버, 하우징 및 동력전달축이 결합된 커버를 나타내는 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

본 발명에 따른 액추에이터는 피동체를 전후진시키거나 회전시키기 위한 용도로 이용되며, 이하의 설명에서 BLDC 방식의 구동모터를 동력원으로 이용하여 피동체를 구동시키는 액추에이터를 설명한다.

도 1 내지 도 8c를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터(100)는 내부에 제1 및 제2 수용공간(15a,15b)을 갖는 하우징(10); 상기 하우징(10)의 제1수용공간(15a)에 설치되고 BLDC 방식의 알모터 형태로 이루어지며 로터(30)로부터 회전 출력을 발생하는 구동모터(50); 상기 구동모터(50) 상측에 설치되어 외부 제어신호의 수신에 따라 모터 구동신호를 발생하는 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB)(51); 상기 구동모터(50)의 회전 출력을 감속하여 출력축(80)으로 전달하며 회전속도를 감속시켜서 토크를 증대시키기 위한 기어트레인(70); 및 상기 하우징(10)의 제2수용공간(15b)에 설치되며 기어트레인(70)을 통하여 전달된 토크 증대된 회전 출력을 하우징(10) 외부로 출력하는 출력축(80);을 포함한다.

상기 하우징(10)은 상부가 개방되고 내부에 제1 및 제2 수용공간(15a,15b)을 갖는 직사각통 형상의 바디 케이스(12)와, 상기 바디 케이스(12)의 상부를 커버하는 커버(11)를 포함하고 있다.

상기 바디 케이스(12)의 제1수용공간(15a)에는 BLDC 방식의 알모터 형태로 이루어지며 로터(30)로부터 회전 출력을 발생하는 구동모터(50)가 수직방향으로 설치되고, 제2수용공간(15b)에는 토크 증대된 회전 출력을 하우징(10) 외부로 출력하는 출력축(80)이 설치된다.

또한, 상기 바디 케이스(12) 내부의 4모서리에는 고정나사를 사용하여 커버(11)를 바디 케이스(12)에 고정시킬 때 이용되는 4개의 제1돌기부(12a)가 돌출되어 있고, 제1수용공간(15a)의 4모서리에는 인쇄회로기판(PCB)(51)을 바닥과 공간을 두고 지지하기 위해 돌출된 4개의 제2돌기부(12b)가 돌출되어 있으로, 상기 4개의 제2돌기부(12b)의 내측에는 스테이터(40)의 스테이터 코어(41)를 고정시키는 데 필요한 4개의 제3돌기부(12c)가 돌출되어 있다.

더욱이, 상기 바디 케이스(12)의 제1수용공간(15a)에는 구동모터(50)의 로터(30)가 회전될 때 로터지지체(33)의 하부를 잡아주면서 회전 가능하게 지지하기 위한 베어링 하우징(14)이 돌출되어 있고, 제2수용공간(15b)에는 출력축(80)의 제2축(83b)이 바디 케이스(12)의 외부로 연장될 때 제2축(83b)을 회전 가능하게 지지하는 한쌍의 베어링(61,62)을 수용/지지하는 베어링 하우징(60)이 일체로 형성되어 있다.

상기 바디 케이스(12)의 제1 및 제2 수용공간(15a,15b)에는 각각 후술하는 기어트레인(70)의 동력전달축(71)의 양단부를 회전 가능하게 지지하기 위한 제1 및 제2 동력전달축 베어링(74a,74b)을 수용/지지하는 한쌍의 베어링 하우징(75a,75b)이 돌출되어 일체로 형성되어 있다.

상기 바디 케이스(12)의 4모서리에는 액추에이터(100)를 본체에 고정나사 등으로 고정시킬 때 필요한 지지브라켓(13a-13d)이 돌출되어 있으며, 각각 하나의 관통구멍이 형성되어 있다.

상기 커버(11)의 저면에는 로터지지체(33)의 상부를 회전 가능하게 지지하는 로터축 베어링(64)이 삽입되어 있고, 출력축(80)의 제1축(83a) 상부를 회전 가능하게 지지하는 출력축 베어링(63)이 삽입되어 있다. 이에 따라 상기 커버(11)의 상부면에는 로터축 베어링(64)과 출력축 베어링(63)이 삽입되는 공간을 확보하기 위하여 원형 돌기(11a,11b)가 돌출되어 있다.

또한, 상기 커버(11)의 저면에는, 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이 동력전달축(71)의 웜기어(73)에 매우 강한 외압이 가해져서 동력전달축(71)이 휘거나 이탈이 발생하는 것을 차단하도록 동력전달축(71)의 2지점을 가이드하기 위한 제1 및 제2 가이드돌기(11c,11d)가 간격을 두고 돌출되어 있다.

상기 제1 및 제2 가이드돌기(11c,11d)는 각각 동력전달축(71)이 휘거나 이탈이 발생하는 것을 차단하도록 좌/우에 한쌍의 돌기가 배치되어 있으며, 상기 제1가이드돌기(11c)는 동력전달축(71)의 제1동력전달축 베어링(74a)과 제1웜휠(72) 사이에 형성되고, 상기 제2가이드돌기(11d)는 동력전달축(71)의 제1웜휠(72)와 출력 웜기어(73) 사이에 형성되어 있다.

상기 구동모터(100)는 BLDC 방식의 알모터 형태로 이루어진 것으로, 상기 바디 케이스(12)의 바닥으로부터 돌출된 베어링 하우징(14)의 외주에 하단부가 회전 가능하게 결합되는 로터(30)와, 상기 로터(30)의 외측에 에어갭을 두고 배치되며 회전자기장을 발생하여 상기 로터(30)를 회전 구동하기 위해 상기 바디 케이스(12)의 상부면에 배치되는 스테이터(40)를 포함하며, 상기 로터(30)의 상부로 연장된 로터지지체(33)의 연장부에는 외주부에 제1웜기어(35)가 일체로 형성되어 있다.

이에 따라 상기 구동모터(100)는 바디 케이스(12)의 바닥으로부터 알모터 형태로 수직방향으로 설치되어 있다.

상기 로터(30)는 내측에 위치한 백요크(32)의 외주에 배치된 자석(31)은 복수의 N극 및 S극의 분할 자석편으로 이루어지거나 또는 바람직하게는 링형상의 자석에 N극 및 S극이 다극으로 분할 착자된 자석을 사용할 수 있으며, 백요크(32)는 자석(31)의 배면에 설치되어 자기회로를 형성한다.

상기 로터(30)의 로터지지체(33)는 하단부가 베어링 하우징(14)에 회전 가능하게 결합되도록 컵형태로 이루어져 있다. 이 경우, 상기 베어링 하우징(14)은 내부에 요홈을 구비하며, 요홈에는 플라스틱으로 이루어지며 상단부가 로터지지체(33)의 하부면과 접촉하면서 로터가 회전할 때 마찰력을 감소시키는 베어링(36)가 삽입되어 있다.

상기 로터(30)는 도 7에 도시된 바와 같이 로터지지체(33)의 하측에 백요크(32)와 자석(31)이 배치되고, 상측에 제1웜기어(35)가 일체로 형성된 구조를 가질 수 있다.

또한, 중공형태의 상기 로터지지체(33)의 상부와 상기 커버(11)의 저면에 삽입되어 있는 로터축 베어링(64) 사이에는 로터(30)의 회전시에 마찰력을 감소시키기 위해 볼(35a)이 삽입되어 있다.

상기 스테이터(40)는 각각 축방향으로 연장된 선단부가 "T" 형상으로 이루어지는 복수의 티스(42)와 상기 복수의 티스(42)와 상호 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크(41)를 구비하는 스테이터 코어(45); 상기 복수의 티스(42) 각각의 코일(43)이 권선될 외주면, 즉 코일권선영역을 상하부에서 감싸는 상부 및 하부 인슐레이터(44a,44b); 및 상기 상부 및 하부 인슐레이터(44a,44b)의 외주면에 권선되는 코일(43);을 포함한다.

이 경우, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 인슐레이터(44a,44b) 대신에 티스(42)에 일체로 형성되는 절연성 재질로 이루어진 보빈(44)(도 9b 참조)을 형성하는 것도 가능하다. 상기 보빈(44)은 복수의 티스(41)와 함께 백요크(42)를 둘러싸는 스테이터 지지체와 일체로 형성될 수 있다.

상기 구동모터(50)의 상측에는 외부 제어신호의 수신에 따라 모터 구동신호를 발생하는 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB)(51)이 설치되어 있다.

상기 구동모터(50)의 회전 출력은 상기 로터(30)의 상측에 일체로 형성된 제1웜기어(35)로부터 얻어지며, 제1웜기어(35)는 인쇄회로기판(PCB)(51)의 관통구멍을 통하여 상측으로 연장되어 있다.

상기 인쇄회로기판(PCB)(51)의 상부에는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 구동모터(50)의 회전 출력을 감속하여 출력축(80)으로 전달하며 회전속도를 감속시켜서 토크를 증대시키기 위한 기어트레인(70)이 길이방향으로 배치되어 있고, 상기 하우징(10)의 제2수용공간(15b)에는 기어트레인(70)을 통하여 전달된 토크 증대된 회전 출력을 하우징(10), 즉 바디 케이스(12)의 바닥 외부로 출력하는 출력축(80)이 설치되어 있다.

상기 기어트레인(70)은 동력전달축(71)에 간격을 두고 웜휠(72)과 출력 웜기어(73)가 일체로 형성된 구조를 가지고 있다. 이 경우, 상기 로터(30)에 일체로 형성된 제1웜기어(35)에 제1웜휠(72)이 기어결합되고 출력 웜기어(73)가 출력축(80)의 제2웜휠(82)에 기어결합되어 회전 동력을 출력축(80)에 전달한다.

또한, 동력전달축(71)의 양단부는 각각 바디 케이스(12)의 양단부에 형성된 한쌍의 베어링 하우징(75a,75b)에 설치된 제1 및 제2 동력전달축 베어링(74a,74b)에 회전 가능하게 지지되어 있다.

본 발명의 기어트레인(70)은 하나의 동력전달축(71)에 간격을 두고 웜휠(72)과 출력 웜기어(73)가 일체로 형성된 구조를 채용함에 따라, 결합기어수를 최소화시킨 기어트레인 변경 구조에 의해 백래쉬(Backlash)를 최소화할 수 있는 동력전달 구조를 갖는다.

또한, 본 발명에서는 소음 증가의 요인이 되는 구동모터(50)의 rpm을 낮추면서 감속 기어비가 커지는 것을 방지하기 위해 기어 트레인(70)에 구비된 출력 웜기어(73)는 다줄 나사 구조를 가질 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 하우징 내부에 수직방향으로 배치된 소형 구동모터(70)를 내장하고, 기어트레인(70)을 구성하는 제1웜휠(72)과 출력 웜기어(73)가 일체로 형성된 동력전달축(71)을 하우징(10) 내부에 최적으로 배치하여 사이즈를 소형화시킬 수 있다.

자동차 부품 중에는 액추에이터에 의해 구동되어 단일 방향으로 나와 있다가 사고나, 혹시 모를 충격에 의해 한쪽 방향으로는 밀고 들어 갈 수 있는 슬립 기능이 요구되고 있다.

도 6은 도 1에 도시된 액추에이터의 출력축에 적용되는 상단/하단 슬립기어 결합부를 나타내는 사시도이다.

도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 액추에이터(100)는 출력축(80)에 슬립(Slip) 기능을 갖도록 출력축(80)이 기어결합된 제1축(83a)과 제2축(83b)을 포함하고 있다. 상기 제1축(83a)은 상부에 제2웜휠(82)이 형성되고 하단부에 상단 슬립기어(81a)가 설치되며, 제2축(83b)은 상단부에 상단 슬립기어(81a)와 기어 결합되는 하단 슬립기어(81b)가 설치되고 하단부가 바디 케이스(12)의 외부로 연장되어 있다.

상기 상단 슬립기어(81a)와 하단 슬립기어(81b)는 각각 삼각 톱니 형태로 상,하가 물려 있어 단일 방향으로 외압을 가할시 움직일수 있다.

또한, 상기 슬립기어(81a,81b)는 일정한 힘 이상이 인가될 경우만 슬립이 발생하도록 코일 스프링(Coil spring) 또는 판 스프링(84)이 하단 슬립기어(81b)의 하측에 결합되어 사용될 수 있다.

상기 제1축(83a)의 상부는 커버(11)에 설치된 출력축 베어링(63)에 회전 가능하게 지지되고, 제2축(83b)은 베어링 하우징(60)에 설치된 한쌍의 베어링(61,62)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있고, 출력축(80)의 제2축(83b)은 바디 케이스(12)의 외부로 연장되어 있다.

상기 바디 케이스(12)의 외부로 연장된 제2축(83b)에는 키홈(83c)가 형성되어 있고, 피동체와의 결합에 이용되는 출력결합부(20)는 키홈(83c)에 일부가 삽입되는 키(key)(21)을 이용하여 결합될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 출력축(80)에 슬립기어결합부를 구비함에 따라 만약 출력축(80)이 연결된 피동체에 미리설정된 힘 이상의 외력이 인가될 때 상단 및 하단 슬립기어(81a,81b)의 슬립기어결합부 사이에 슬립을 발생시켜, 피동체의 복귀를 억제한다. 그 결과, 본 발명의 액추에이터(100)를 이용하면, 피동체의 복귀로 인한 내부 구조의 파손 방지가 가능하다.

이하에 도 5 및 도 8a 내지 도 8c를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터(100)의 조립방법을 설명한다.

먼저, 하우징(10)을 형성하는 바디 케이스(12)의 바닥면에 로터축 지지베어링(36)과 출력축 지지베어링(61,62)을 삽입 형성한 후, 스테이터(40)와 로터(30)를 제1수용공간(15a)에 조립하여 구동모터(50)를 준비한다(S11).

그 후, 구동모터(50)의 상부에 PCB(51)를 설치한 후 고정한다(S12).

이어서, PCB(51)의 상부에 기어트레인(70)의 웜휠(72)이 로터(30)에 일체로 형성된 제1웜기어(35)에 기어결합시킨다(S13).

이어서, 바디 케이스(12)의 바닥에 형성된 출력축 지지베어링(61,62)에 출력축(80)을 조립하면서, 기어트레인(70)의 출력 웜기어(73)에 출력축(80)의 웜휠(82)을 기어결합시킨다(S14).

이 경우, 상기 기어트레인(70) 조립단계(S13)와 출력축(80) 조립단계(S14)는 순서를 바꾸어 진행하는 것도 가능하다.

그 후, 출력축 지지베어링(63)이 매립된 커버(11)를 바디 케이스(12)의 상부에 조립한다(S15).

또한, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구동모터(50)는 높이가 낮은 하우징의 내부에 ?또賤? DC 모터를 사용하는 종래구조의 문제를 개선하여, 하우징(10)의 커버(11)와 바디 케이스(12) 바닥에 각각 베어링을 설치하고 알모터 형태의 BLDC 모터를 조립한 구조에 의해 수직방향 조립 구조의 BLDC 구동모터(50)를 구현하고 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 커버(11)와 바디 케이스(12) 바닥에 구동모터(50)에 대한 베어링 삽입 공간을 마련하고, 로터(30)의 상,하단으로 회전 가능하게 지지하는 구조를 이용하여 별도의 케이싱을 사용하지 않고 하우징(10) 내부에 조립될 수 있어 조립 공정이 간단하고, 저렴한 비용으로 제조될 수 있다.

또한, 구동모터(50)에 외곽 케이스가 별도로 존재하지 않아 모터 사이즈 증대가 가능하여 모터의 출력 토크 증대가 이루어질 수 있다. 더욱이, 본 발명에서는 쉽게 PCB(51)의 하부면에 홀센서 IC를 설치함에 의해 하측에 위치한 로터(30)의 회전시에 자석(31)의 자극을 센싱하여 로터위치신호를 쉽고 정확하게 검출하여 로터(30)의 정밀제어가 가능하며, 종래에 DC 모터와 같이 별도의 위치 센싱용 자석을 채용하지 않고 운영이 가능하다.

본 발명의 액추에이터는 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 바디 케이스(12)의 양단부 상측에 동력전달축(71)의 양단부를 각각 수용하여 회전 가능하게 지지하는 한쌍의 베어링(74a,74b)을 수용/지지하는 베어링 하우징(75a,75b)이 일체로 형성되어 있고, 커버(11)에는 동력전달축(71)의 양측을 수용하면서 이탈하는 것을 방지함에 의해 동력전달축의 휨을 방지할 수 있는 제1 및 제2 가이드돌기(11c,11d)가 간격을 두고 설치되어 있다.

따라서, 커버(11)에 아주 강한 외압이 인가되어 동력전달축(71)이 휘거나, 이탈되어, 정상 동작이 이루어지지 못하는 것을 막을 수 있다.

액추에이터에 사용되는 일반적인 모터는 BLDC 방식을 적용하기 어려운 부분을 본 발명에서는 모터를 수직으로 세우고 직경방향의 크기를 키워서 모터 토크를 증대하고, 수직 방향으로 위치 센싱을 할 수 있도록 구동모터(50)의 상측에 외부 제어신호의 수신에 따라 모터 구동신호를 발생하는 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB)(51)를 설치하고, PCB(51)에 홀센서 IC(도시되지 않음)를 쉽게 설치할 수 있어 로터(30)의 정밀제어가 가능하다.

본 발명의 액추에이터(100)에 채용된 구동모터(50)는 하우징(10)의 바닥면에 스테이터(40)와 로터(30)가 배치되어 있으며, 인너 로터 방식의 BLDC 모터를 이용하고 있다.

본 발명에 따른 액추에이터(100)는 구동모터(50)는 스테이터(40)의 코일(43)이 복수의 티스(41)에 권선될 때, U,V,W 3상 구조로 코일(43)을 권선하고 U,V,W 3상 코일(43)의 타단은 스타-결선방식으로 결선될 수 있다. 더욱이, 상기 구동모터(50)는, 예를 들어, 모터구동회로에서 2개 또는 3개의 홀센서로부터 로터위치신호를 수신한 후, 인버터를 이용한 6-스탭 방식의 전파구동방식으로 구동될 수 있다.

이하에 도 1 내지 도 8c를 참고하여 본 발명에 따른 액추에이터(100)의 동작을 설명한다.

본 발명의 액추에이터(100)는 먼저, 하우징(10) 바닥에 설치된 BLDC 구동모터(50)를 동작시키면, 로터(30)가 회전하면서 로터(30)의 상측에 일체로 형성된 제1웜기어(35)도 동일한 방향으로 회전한다.

상기 제1웜기어(35)가 회전하면, 상기 제1웜기어(35)와 기어 결합되어 있는 기어트레인(70)의 웜휠(72)이 회전하면서 동력전달축(71)도 회전한다.

그 결과, 동력전달축(71)의 타측에 형성된 출력 웜기어(73)는 기어결합되어 있는 출력축(80)의 출력 웜휠(82)을 회전시킨다.

이에 따라 출력 웜휠(82)의 회전에 따라 출력축(80)이 회전하면, 바디 케이스(12)의 외부로 연장되어 있는 출력축(80)의 제2축(83b)에 결합된 출력결합부(20)도 회전하면서 피동체를 회전시킨다.

본 발명에서는 BLDC 구동모터(50)가 예를 들어, 800 rpm으로 회전될 때, 기어트레인(70)을 통하여 400:1로 감속되어 출력축(80)은 2 rpm으로 회전속도가 낮추어져서 큰 토크 증대가 이루어지게 된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 동력전달축에 간격을 두고 웜휠과 웜기어를 일체로 형성하여 결합기어수를 최소화시킨 기어트레인 변경 구조에 의해 백래쉬(Backlash)를 최소화할 수 있는 동력전달 구조를 갖는 액추에이터에 적용될 수 있다.

10: 하우징 11: 커버
11a,11b: 원형 돌기 11c,11d: 가이드 돌기
12: 바디 케이스 12a-12c: 돌기부
11c,22,25: 관통구멍 13a-13d: 지지브라켓
14: 베어링 하우징 15a,15b: 수용공간
20: 출력결합부 21: 키
30: 로터 31: 자석
32: 백요크 34: 로터지지체
35,73: 웜기어 36: 베어링
40: 스테이터 41: 티스
42: 백요크 43: 코일
44: 보빈 44a,44b: 인슐레이터
45: 스테이터 코어
50: 구동모터 51: PCB
60,75a,75b: 베어링 하우징 61~64,74a,74b: 베어링
70: 기어트레인 71: 동력전달축
72,82: 웜휠 80: 출력축
81a,81b: 슬립기어 83a,83b: 축
83c: 키홈 100: 액추에이터

Claims (7)

1. 제1 및 제2 수용공간을 갖는 하우징;
   상기 하우징의 제1수용공간에 설치된 BLDC 방식의 모터를 구비하고 로터로부터 회전 출력을 발생하는 구동모터;
   상기 구동모터 상측에 설치되어 외부 제어신호의 수신에 따라 모터 구동신호를 발생하는 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB);
   상기 인쇄회로기판(PCB)의 상부에 길이방향으로 설치되어 상기 구동모터의 회전 출력을 감속하여 토크를 증대시키기 위한 기어트레인; 및
   상기 하우징의 제2수용공간에 설치되며 기어트레인을 통하여 전달된 토크 증대된 회전 출력을 하우징 외부로 출력하는 출력축;을 포함하는 액추에이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 구동모터의 로터의 상부로 연장된 연장부에 일체로 형성된 제1웜기어;를 더 포함하며,
   상기 기어트레인은
   동력전달축;
   상기 동력전달축의 일측에 형성되며 상기 제1웜기어와 기어 결합되는 제1웜휠; 및
   상기 동력전달축의 타측에 형성된 제2웜기어;를 포함하는 액추에이터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2웜기어는 다줄 나사로 이루어진 액추에이터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 하우징은 상부가 개방되고 내부에 제1 및 제2 수용공간을 갖는 직사각통 형상의 바디 케이스; 및 상기 바디 케이스의 상부를 커버하는 커버;를 포함하며,
   상기 동력전달축의 웜기어에 미리 설정된 크기 이상의 외압이 가해질 때, 상기 동력전달축이 휘거나 이탈이 발생하는 것을 차단하도록 상기 커버의 저면에 간격을 두고 돌출 형성된 제1 및 제2 가이드돌기를 더 포함하는 액추에이터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 구동모터는
   상기 하우징의 바닥에 돌출 설치된 로터 베어링;
   로터지지체의 하단부가 상기 로터 베어링의 외주에 회전 가능하게 결합되는 로터; 및
   상기 로터의 외측에 에어갭을 두고 배치되며 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하는 스테이터;를 포함하며,
   상기 로터지지체의 상단 외주부에 제1웜기어가 일체로 형성되어 있는 액추에이터.
6. 제1항에 있어서,
   상기 출력축은
   상부에 상기 동력전달축의 제2웜기어와 기어 결합되는 제2웜휠이 설치되고 하단에 상단 슬립기어가 설치된 제1축; 및
   상단에 상단 슬립기어와 물려 있는 하단 슬립기어가 설치되고 하단부가 하우징 외부로 연장된 제2축;을 포함하며,
   상기 상단 슬립기어와 하단 슬립기어는 각각 삼각 톱니 형태로 상,하가 물려 있어 단일 방향으로 외압을 가할시 슬립이 발생하는 액추에이터.
7. 제6항에 있어서,
   상기 바디 케이스의 외부로 연장된 제2축에 키(key)을 이용하여 결합되는 출력결합부를 더 포함하는 액추에이터.

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