KR20220092407A - Bldc 모터를 구비한 구동모터 및 이를 이용한 스위블 액추에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하우징 내부에 수직방향으로 실장된 슬림형 BLDC 모터를 구비한 구동모터 및 이를 이용한 스위블 액추에이터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 스위블 엑추에이터는 중앙에 바닥으로부터 중공형 원통부가 돌출되고 내측벽에 제1 및 제2 단차부가 돌출된 원통형 하우징; 상기 하우징의 바닥면에 배치되며, 로터의 상부로 연장된 원통형 연장부의 외주에 원통형 제1웜기어가 일체로 형성된 구동모터; 각각 상기 제2 단차부의 상부에 배치되고, 제1 및 제2 동력전달축의 일측에 상기 원통형 제1웜기어의 외주에 기어 결합되는 제2 및 제3 웜휠이 형성되고 상기 제1 및 제2 동력전달축의 타측에 제2 및 제3 웜기어가 형성된 제1 및 제2 기어트레인; 각각 제1 및 제2 지지축의 하단에 상기 제2 및 제3 웜기어와 기어결합되는 제4 및 제5 웜휠이 형성되고 상기 제1 및 제2 지지축의 상단에 제1 및 제2 피니온 기어가 일체로 형성된 제1 및 제2 피니온 기어유닛; 및 상기 제1 및 제2 피니온 기어가 측면부의 내측에 일체로 형성된 링기어에 기어 결합되어 회전이 이루어지는 회전 테이블;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

BLDC 모터를 구비한 구동모터 및 이를 이용한 스위블 액추에이터{Driving Motor Having BLDC Motor and Swivel Actuator Using the Same}
본 발명은 액추에이터에 관한 것으로, 특히 하우징 내부에 수직방향으로 실장된 슬림형 BLDC 모터를 구비한 구동모터 및 이를 이용한 스위블(Swivel) 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, 엑추에이터의 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, 엑추에이터에서 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.
최근에는 운전자의 조향 방향에 연동하여, 운전자의 야간 시야를 최대로 확보할 수 있는 가변식 헤드램프가 제안되고 있는데, 리드스크류가 장착된 모터는 헤드램프의 스위블링(swiveling)과 레벨링(leveling)을 구현하는 스위블링 액츄에이터로 사용될 있다.
한국 공개특허공보 제10-2018-0014304호(특허문헌 2)에는 차량 헤드램프를 이동시키는 액츄에이터의 조립구성 및 결합구조를 개선하여 작동소음 및 진동발생을 최소화함과 동시에 조립성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 스위블 액츄에이터를 제안하고 있다.
특허문헌 2는 모터의 회전 동력을 직선운동으로 변화시키는 이송스크류를 채용하여 이송스크류에 결합된 램프가동부를 이동시킨다.
: 한국 공개록특허공보 제10-2017-0050869호 : 한국 공개록특허공보 제10-2018-0014304호
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 스위블(Swivel) 액추에이터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 높이가 낮은 하우징 내부에 눕혀진 DC 모터를 사용하는 종래구조의 문제를 개선하여, 알모터 형태의 BLDC 모터를 하우징 바닥에 수직방향으로 조립한 구동모터 및 이를 이용한 스위블 액추에이터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 회전 테이블의 외부에 DC 모터를 설치한 종래기술과 대비하여 콤팩트하고 슬림한 구조를 갖도록 BLDC 모터를 하우징 바닥에 설치하고 상부에 감속용 기어트레인을 설치한 스위블 액추에이터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 구동모터를 하우징 바닥에 설치하고 상부에 감속용 기어트레인을 설치함에 의해 감속용 기어트레인을 보다 콤팩트하게 변형시킨 스위블 액추에이터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 소형 구동모터와, 웜휠과 웜기어가 동력전달축에 일체로 형성된 기어트레인을 하우징 내부에 최적으로 배치하여 사이즈를 소형화시킨 스위블 액추에이터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 BLDC 구동모터를 하우징 바닥에 설치하고 상부에 웜휠과 웜기어가 동력전달축에 간격을 두고 일체로 형성된 제1 및 제2 기어트레인을 하우징 내부에 대칭 구조로 배치함에 의해 백래쉬(Backlash)를 최소화함과 동시에 진동 발생을 억제할 수 있는 스위블 액추에이터를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 특징에 따른 스위블 엑추에이터용 구동모터는 중앙에 바닥으로부터 중공형 원통부가 돌출되고 내측벽에 단차부가 돌출된 원통형 하우징; 상기 중공형 원통부의 외주에 회전 가능하게 결합되며 하단부가 컵형태로 이루어진 로터지지체를 구비하는 로터; 상가 로터지지체의 컵형태의 하단부와 중공형 원통부의 하단 사이에 배치되어 상기 로터를 회전 가능하게 지지하기 위한 제1 및 제2 베어링; 및 상기 로터의 외측에 에어갭을 두고 배치되며 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하기 위해 상기 하우징의 바닥에 배치되는 스테이터;를 포함하며, 상기 로터지지체의 상부로 연장된 연장부에는 외주부에 제1웜기어가 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 하우징은 상하부가 개방되고 내측에 단차부가 돌출되어 있는 원통형 바디 케이스; 및 외주부가 상기 바디 케이스의 하단에 고정되고 중앙에 중공형 원통부가 돌출된 원형 하부 커버;를 포함하며, 상기 단차부는 단차부의 하측에 배치된 구동모터와 분리하여 상측에 감속용 기어트레인과 피니온 기어유닛이 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 스위블 엑추에이터용 구동모터는 상기 중공형 원통부의 주변에 형성된 환형 요홈에 배치되어 상기 로터 회전시에 로터위치신호를 검출하기 위한 홀센서 어셈블리를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스위블 엑추에이터는 중앙에 바닥으로부터 중공형 원통부가 돌출되고 내측벽에 제1 및 제2 단차부가 돌출된 원통형 하우징; 상기 하우징의 바닥면에 배치되며, 로터의 상부로 연장된 원통형 연장부의 외주에 원통형 제1웜기어가 일체로 형성된 구동모터; 각각 상기 제2 단차부의 상부에 배치되고, 제1 및 제2 동력전달축의 일측에 상기 원통형 제1웜기어의 외주에 기어 결합되는 제2 및 제3 웜휠이 형성되고 상기 제1 및 제2 동력전달축의 타측에 제2 및 제3 웜기어가 형성된 제1 및 제2 기어트레인; 각각 제1 및 제2 지지축의 하단에 상기 제2 및 제3 웜기어와 기어결합되는 제4 및 제5 웜휠이 형성되고 상기 제1 및 제2 지지축의 상단에 제1 및 제2 피니온 기어가 일체로 형성된 제1 및 제2 피니온 기어유닛; 및 상기 제1 및 제2 피니온 기어가 측면부의 내측에 일체로 형성된 링기어에 기어 결합되어 회전이 이루어지는 회전 테이블;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 및 제3 웜휠은 원통형 제1웜기어의 대향한 외주에 기어 결합되고, 상기 제1 및 제2 피니온 기어는 링기어의 대향한 내주에 기어 결합될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 동력전달축은 각각 상기 원통형 제1웜기어의 축과 직교하는 수평방향으로 설치되고, 상기 제1 및 제2 지지축은 각각 상기 제1 및 제2 동력전달축과 직교하는 수직방향으로 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 스위블 엑추에이터는 상기 로터지지체의 컵형태의 하단부와 중공형 원통부의 하단 사이에 배치되어 상기 로터를 회전 가능하게 지지하기 위한 제1 및 제2 베어링; 및 상기 회전 테이블을 상기 중공형 원통부의 외주에 회전 가능하게 지지하기 위한 제3베어링;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 스위블 엑추에이터는 중앙에 바닥으로부터 중공형 원통부가 돌출되고 내측벽에 제1 및 제2 단차부가 돌출된 원통형 하우징; 상기 하우징의 바닥면에 배치되며, 상부로 연장된 로터지지체로 회전 동력을 제공하는 구동모터; 상기 로터지지체의 외주에 일체로 형성된 원통형 제1웜기어; 및 각각 상기 제1웜기어의 대향한 외주에 결합되며, 상기 제1웜기어의 회전속도를 감속시켜서 증대된 토크로 회전 테이블을 회전시키기 위한 제1 및 제2 3단 기어기구;를 포함하며, 상기 구동모터는 상기 제2단차부의 하측 공간에 배치되고, 상기 제1 및 제2 3단 기어기구는 상기 제2단차부의 상부면에 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 3단 기어기구는 각각 상기 제2 단차부의 상부에 배치되고 상기 제1웜기어의 외주에 결합되며, 제1 및 제2 동력전달축의 일측에 상기 제1웜기어와 기어 결합되는 제2 및 제3 웜휠이 형성되고 상기 제1 및 제2 동력전달축의 타측에 제2 및 제3 웜기어가 형성된 제1 및 제2 기어트레인; 각각 제1 및 제2 지지축의 하단에 상기 제2 및 제3 웜기어와 기어결합되는 제4 및 제5 웜휠이 형성되고 상기 제1 및 제2 지지축의 상단에 제1 및 제2 피니온 기어가 일체로 형성된 제1 및 제2 피니온 기어유닛; 및 상기 제1 및 제2 피니온 기어유닛의 제1 및 제2 피니온 기어가 상기 회전 테이블의 측면부 내측에 일체로 형성되어 기어결합된 링기어;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 스위블 엑추에이터는 상기 회전 테이블과 하우징 사이에 설치되며 하부가 상기 하우징의 제1단차부에 지지되는 오일씰을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 및 제3 웜휠은 원통형 제1웜기어의 대향한 외주에 기어 결합되고, 상기 제1 및 제2 피니온 기어는 링기어의 대향한 내주에 기어 결합될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 동력전달축에 간격을 두고 웜휠과 웜기어를 일체로 형성하여 결합기어수를 최소화시킨 기어트레인 변경 구조에 의해 백래쉬(Backlash)를 최소화할 수 있는 동력전달 구조를 제공한다. 그 결과, 본 발명은 복수의 스퍼 기어를 조합한 종래의 기어트레인과 비교하여 전체 사이즈가 감소하고 공간 확보가 가능하여 설계 자유도가 증가하고 원가 절감이 가능하다.
또한, 본 발명에서는 높이가 낮은 하우징 내부에 눕혀진 DC 모터를 사용하는 종래구조의 문제를 개선하여 하우징 바닥에 알모터 형태의 BLDC 모터를 조립한 구조에 의해 수직방향 조립 구조의 BLDC 모터를 갖는다.
더욱이, 본 발명에서는 회전 테이블의 외부에 DC 모터를 설치한 종래기술과 대비하여 콤팩트하고 슬림한 구조를 갖도록 BLDC 모터를 하우징 바닥에 설치하고 상부에 감속용 기어트레인을 설치함에 의해 감속용 기어트레인을 보다 콤팩트하게 변형시킨 내부 중공형 스위블(Swivel) 액추에이터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 소형 구동모터와 기어트레인을 구성하는 웜휠과 웜기어가 일체로 형성된 동력전달축을 하우징 내부에 최적으로 배치하여 사이즈를 소형화시킨 액추에이터를 제공할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 BLDC 구동모터를 하우징 바닥에 설치하고, 상부에 웜휠과 웜기어가 동력전달축에 간격을 두고 일체로 형성된 제1 및 제2 기어트레인과 제1 및 제2 피니온 기어유닛을 하우징 내부에 대칭 구조로 배치함에 의해 백래쉬(Backlash)를 최소화함과 동시에 진동 발생을 억제할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부 중공형 스위블 액추에이터의 사시도, 평면도 및 도 2의 A-A 선 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위블 액추에이터의 회전 테이블 분리 사시도, 회전 테이블이 제거된 도 4의 평면도, 도 5의 B-B 선 단면도 및 C-C 선 단면도이다.
도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위블 액추에이터의 모듈별 분해사시도 및 완전 분해사시도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구동모터의 로터로부터 한쌍의 동력전달축과 한쌍의 피니언을 통하여 링기어를 구동하는 동력전달 메카니즘을 보여주는 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 스위블 액추에이터는 회전 테이블과 함께 피동체 본체를 회전시키기 위한 용도로 이용되며, 이하의 설명에서 BLDC 방식의 구동모터를 동력원으로 이용하여 피동체를 구동시키는 내부 중공형 스위블 액추에이터를 설명한다.
일반적으로 원반 형상의 하우징 구조를 갖는 액추에이터에서 구동모터는 BLDC 적용이 어려운 데, 본 발명에서는 구동모터를 하우징 하부에 수직으로 세우고 직경방향의 크기를 키워서 모터 토크를 증대하였다. 구동모터는 하우징의 바닥면에 스테이터와 로터가 배치되어 있으며, 인너 로터 방식의 BLDC 모터를 이용하고 있다.
종래기술에 따른 액추에이터는 DC 모터로 이루어진 모터부, 기어부 및 회전부가 별도의 부품으로 구성되어 있어 액추에이터 제품을 이용하는 본체에 조립할 때, 조립 공차 및 부품 수급 등 많은 문제점이 있다. 이에 반해 본 발명에 따른 액추에이터는 구동모터, 기어트레인 및 회전체가 일체형으로 구성되어 있어 종래기술의 문제를 해결하면서 소형화 및 슬림화를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 스위블 액추에이터는 BLDC 방식의 구동모터, 구동모터의 회전 동력을 회전 테이블에 전달하며 감속에 의해 토크를 증대시키는 한쌍의 기어트레인 및 기어트레인의 출력에 의해 회전하는 회전 테이블을 포함하며, 회전 테이블에는 피동체가 결합되어 회전 테이블과 함께 회전이 이루어질 수 있다. 이 경우, 구동모터, 기어트레인 및 회전 테이블이 하우징에 일체형으로 조립될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 스위블 액추에이터는 원반 형상으로 이루어지며, 내측 중공형으로서 중앙부에는 케이블이 인출되는 케이블 인출용 관통구멍이 형성되어 있고, 회전체(회전 테이블)의 상부에는 피동체와 연결하도록 복수개, 예를 들어, 3개 또는 4개의 결합구멍이 형성되어 있고, 결합구멍에는 고정볼트의 하단부가 통과하면서 회전 테이블의 내면에 고정 설치된 스터드 너트에 나사결합되어 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스위블 액추에이터는 하우징의 바닥에 환형의 스테이터가 배치되고, 그 내부에 상측에 웜기어가 일체로 형성된 로터가 배치되어 있다. 상기 로터의 웜기어에는 기어트레인을 형성하는 동력전달축의 웜휠이 기어결합되고, 동력전달축의 타단에 형성된 웜기어는 피니온 기어유닛의 하단에 위치한 웜휠에 결합되며 피니온 기어유닛의 상단에 위치한 피니온 기어는 회전 테이블의 측면부 내측에 형성된 링기어에 결합되어 회전 테이블을 회전 구동시킨다.
본 발명의 내부 중공형 스위블(Swivel) 액추에이터는 BLDC 구동모터를 하우징 바닥에 설치하고 상부에 웜휠과 웜기어가 동력전달축에 간격을 두고 일체로 형성된 제1 및 제2 기어트레인을 하우징 내부에 대칭 구조로 배치함에 의해 백래쉬(Backlash)를 최소화함과 동시에 진동 발생을 억제할 수 있다.
도 1 내지 도 7을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 내부 중공형 스위블 액추에이터(200)는 중앙에 중공형 원통부(11a)가 돌출되고 내측벽에 제1 및 제2 단차부(12a,12b)가 돌출된 원통형 하우징(10); 상기 하우징(10)의 바닥면에 배치되며, 로터(30)의 상부로 연장된 연장부의 외주에 제1웜기어(35)가 일체로 형성된 구동모터(100); 각각 상기 제2 단차부(12b)의 상부에 대향하여 배치되고 상기 제1웜기어(35)의 외주에 결합되며, 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)의 일측에 상기 제1웜기어(35)와 기어 결합되는 제2 및 제3 웜휠(72a,72b)이 형성되고 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)의 타측에 제2 및 제3 웜기어(73a,73b)가 형성된 제1 및 제2 기어트레인(70a,70b); 각각 하단에 상기 제2 및 제3 웜기어(73a,73b)와 기어결합되는 제4 및 제5 웜휠(81a,81b)이 형성되고 상단에 제1 및 제2 피니온 기어(82a,82b)가 일체로 형성된 제1 및 제2 피니온 기어유닛(80a,80b); 및 상기 제1 및 제2 피니온 기어유닛(80a,80b)의 제1 및 제2 피니온 기어(82a,82b)가 측면부의 내측에 일체로 형성된 링기어(24)에 기어 결합되어 회전이 이루어지는 회전 테이블(20);을 포함한다.
상기 하우징(10)은 상하부가 개방되고 내측에 2단 구조의 제1 및 제2 단차부(12a,12b)가 돌출되어 있는 원통 형상의 바디 케이스(12)와, 외주부가 상기 바디 케이스(12)의 하단에 고정되고 중앙에 중공형 원통부(11a)가 돌출된 원형 하부 커버(11);를 포함하고 있다.
상기 구동모터(100)는 상기 하부 커버(11)의 중공형 원통부(11a)의 외주에 회전 가능하게 결합되는 로터(30)와, 상기 로터(30)의 외측에 에어갭을 두고 배치되며 회전자기장을 발생하여 상기 로터(30)를 회전 구동하기 위해 상기 하부 커버(11)의 상부면에 배치되는 스테이터(40)를 포함하며, 상기 로터(30)의 상부로 연장된 로터지지체(34)의 연장부에는 외주부에 제1웜기어(35)가 일체로 형성되어 있다.
상기 로터(30)는 하단부가 컵형태로 이루어진 로터지지체(34), 상기 로터지지체(34)의 하단부 외측에 순차적으로 위치한 백요크(32) 및 자석(31)을 포함한다. 상기 자석(31)은 예를 들어, 백요크의 외주에 배치되며 복수의 N극 및 S극의 분할 자석편으로 이루어지거나 또는 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)는 컵형태로 이루어진 로터지지체(34)의 내주부와 원통부(11a) 사이에 설치된 제1 및 제2 베어링(61,62)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다.
상기 로터지지체(34)의 하단 외주부에는 백요크와 자석이 지지되어 있고, 상단 외주부에는 제1웜기어(35)가 일체로 형성되어 있다.
상기 스테이터(40)는 각각 "T" 형상으로 이루어지는 복수의 티스(41)와 상기 복수의 티스(41)와 상호 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크(42)를 구비하는 스테이터 코어(45); 상기 복수의 티스 각각의 코일(43)이 권선될 외주면을 감싸도록 스테이터 코어(45)의 상부와 하부에서 조립되는 절연성 재질의 상부 및 하부 인슐레이터(44a,44b); 및 상기 인슐레이터(44a,44b)의 외주면에 권선되는 코일(43);을 포함한다.
이 경우, 상기 인슐레이터(44a,44b)는 복수의 티스(41)와 함께 백요크(42)를 둘러싸는 보빈과 스테이터 지지체로서 일체로 형성될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 하부 커버(11)의 중앙부에 위치한 중공형 원통부(11a)의 외주에는 환형 요홈(11b)이 형성되어 있으며, 환형 요홈(11b)에는 로터의 하단부와 근접하게 설치되어 로터 회전시에 로터위치신호를 검출하기 위한 복수개의 홀센서(Hall sensor)가 인쇄회로기판에 실장된 홀센서 어셈블리(50)가 배치되어 있다.
본 발명에 따른 스위블 액추에이터(200)는 구동모터(100)가 예를 들어, 20폴(pole)-18슬롯(slot) 구조의 BLDC 모터로 구성될 수 있다. 또한, 상기 구동모터(100)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(100)는, 예를 들어, 모터구동회로에서 2개 또는 3개의 홀센서로부터 로터위치신호를 수신한 후, 인버터를 이용한 6-스탭 방식의 전파구동방식으로 구동될 수 있다.
상기 로터(30)와 하부 커버(11)의 중공형 원통부(11a) 사이에는 로터를 회전 가능하게 지지하는 제1 및 제2 베어링(61,62)이 설치되어 있다.
본 발명에 따른 스위블 액추에이터(200)는 상기 로터지지체(34)의 외주에 일체로 형성된 상기 제1웜기어(35)의 대향한 외주에 결합되며, 상기 제1웜기어(35)의 회전속도를 감속시켜서 증대된 토크로 회전 테이블(20)을 회전시키기 위한 제1 및 제2 3단 기어기구;를 포함하고 있다.
상기 제1 및 제2 3단 기어기구는 상기 제1웜기어(35)와 제2 및 제3 웜휠(72a,72b) 사이의 제1기어결합, 제2 및 제3 웜기어(73a,73b)와 제4 및 제5 웜휠(81a,81b) 사이의 제2기어결합 및 제1 및 제2 피니온 기어(82a,82b)와 링기어(24) 사이의 제3기어결합을 포함하고 있다.
상기 제1 및 제2 기어결합은 웜기어 결합구조이고, 제3기어결합은 내접기어 결합구조를 가지고 있다.
상기 제1 및 제2 기어트레인(70a,70b)은 각각 상기 제2 단차부(12b)의 상부에 중공형 원통부(11a)를 중심으로 대향하여 배치되어 있으며, 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)은 각각 양단부가 한쌍의 베어링(74a,74b,75a,75b)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다.
상기 제2 단차부(12b)는 제1 및 제2 기어트레인(70a,70b)과 제1 및 제2 피니온 기어유닛(80a,80b)을 하측에 배치된 구동모터(100)와 분리되어 지지하도록 바디케이스(12)로부터 중앙부쪽으로 연장되어 있다.
상기 제1 및 제2 기어트레인(70a,70b)은 각각 상기 제1웜기어(35)의 대향한 외주에 결합되며, 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)의 일측에 상기 제1웜기어(35)와 기어 결합되는 제2 및 제3 웜휠(72a,72b)이 형성되고 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)의 타측에 제2 및 제3 웜기어(73a,73b)가 형성되어 있다.
상기 제1 및 제2 피니온 기어유닛(80a,80b)은 각각 상기 제2 단차부(12b)에 설치된 한쌍의 베어링에 회전 가능하게 지지된 제1 및 제2 지지축(83a,83b)에 설치되며, 각각 하단에 상기 제2 및 제3 웜기어(73a,73b)와 기어결합되는 제4 및 제5 웜휠(81a,81b)이 형성되고, 상단에 제1 및 제2 피니온 기어(82a,82b)가 일체로 형성되어 있다.
상기 회전 테이블(20)은 원형의 상판(21)과 상판(21)의 외주로부터 하방향으로 연장된 측면부(23)를 포함한다. 상기 상판(21)에는 회전 테이블(20)에 설치되는 피동체인 본체와 결합을 위한 복수의 결합구멍(22)이 관통되어 있고, 상판(21) 저면의 결합구멍(22)에는 고정볼트가 체결되는 복수의 스터드 너트가 부착되어 있다.
상기 상판(21)의 중앙에는 구동모터(100)의 스테이터 코일(43)과 홀센서 어셈블리(50)에 구비된 복수개의 홀센서(Hall sensor)로부터 스위블 액추에이터(200)의 외부에 설치되는 모터구동회로와 연결하기 위한 케이블이 통과하는 중앙 관통구멍(25)이 형성되어 있다. 상기 케이블은 상판(21)의 중앙 관통구멍(25)과 원통부(11a)를 통하여 스테이터 코일(43)과 홀센서 어셈블리(50)에 연결된다.
상기 중공형 원통부(11a)의 하단에는 케이블이 통과할 수 있도록 상기 하부 커버(11)의 요홈(11b)과 연통하는 관통구멍(11c)이 형성되어 있다.
또한, 중앙 관통구멍(25)에는 하부 커버(11)의 중공형 원통부(11a)의 상단부가 위치해있고, 상기 상판(21)의 하부면 중앙에는 회전 테이블(20)을 중공형 원통부(11a)의 외주에 회전 가능하게 지지하도록 제3베어링(63)이 설치되어 있다.
더욱이, 상기 중공형 원통부(11a)의 외주에 설치된 제3베어링(63)과 제2베어링(62) 사이에는 제3베어링(63)과 제2베어링(62)의 상대 위치를 설정하기 위한 링 형상의 스토퍼(64)가 삽입되어 있다.
상기 회전 테이블(20)의 측면부(23)에는 내측에 링기어(24)가 일체로 형성되어 있으며, 링기어(24)의 대향한 2지점에는 상기 제1 및 제2 피니온 기어유닛(80a,80b)의 제1 및 제2 피니온 기어(82a,82b)가 기어 결합되어 있다.
또한, 상기 회전 테이블(20)과 바디 케이스(12) 사이에는 내부의 오일이 누설되는 것을 차단하기 위한 링 형상의 오일씰(13)이 삽입되어 있으며, 하부가 제1단차부(12a)에 지지되어 있다.
상기 스위블 액추에이터(200)에서 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)은 각각 상기 원통형 제1웜기어(35)의 축과 직교하는 수평방향으로 설치되고, 상기 제1 및 제2 지지축(83a,83b)은 각각 상기 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)과 직교하는 수직방향으로 설치될 수 있다.
이하에 도 1 내지 도 10을 참고하여 본 발명에 따른 내부 중공형 스위블(Swivel) 액추에이터(200)의 동작을 설명한다.
본 발명의 내부 중공형 스위블(Swivel) 액추에이터(200)는 먼저, 하우징(10) 바닥에 설치된 BLDC 구동모터(100)의 스테이터(40)를 동작시키면, 회전 자기장에 의해 로터(30)가 시계방향으로 회전하면서 로터지지체(34)의 상측에 일체로 형성된 제1웜기어(35)도 동일하게 시계방향으로 회전한다.
상기 제1웜기어(35)가 시계방향으로 회전하면, 상기 제1웜기어(35)와 기어 결합되어 있는 제1 및 제2 기어트레인(70a,70b)의 제2 및 제3 웜휠(72a,72b)이 반시계방향으로 회전하면서 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)도 반시계방향으로 회전한다.
그 결과, 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)의 타측에 형성된 제2 및 제3 웜기어(73a,73b)는 기어결합되어 있는 상기 제1 및 제2 피니온 기어유닛(80a,80b)의 제1 및 제2 지지축(83a,83b) 하단에 위치된 제4 및 제5 웜휠(81a,81b)을 시계방향으로 회전시킨다.
이에 따라 제1 및 제2 지지축(83a,83b)의 상단에 위치된 제1 및 제2 피니온 기어(82a,82b)를 각각 시계방향으로 회전 구동시키며, 제1 및 제2 피니온 기어(82a,82b)는 상기 회전 테이블(20)에 구비된 링기어(24)의 대향한 2지점과 기어결합되어 회전 테이블(20)을 동일하게 시계방향으로 회전시킨다.
본 발명에 따른 스위블 액추에이터(200)는 원통형 제1웜기어(35)의 축을 중심으로 대칭 구조로 배치된 제1 및 제2 3단 기어기구를 포함한다.
상기 제1 및 제2 3단 기어기구는 각각 제1 내지 제3 기어결합을 포함하며, 각각의 기어결합마다 감속이 이루어지도록 설계되어 있다. 이 경우, 전체 감속비는 제1 내지 제3 기어결합 각각의 감속비의 곱으로 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 제1 및 제2 3단 기어기구는 제1웜기어(35)와 제2 및 제3 웜휠(72a,72b) 사이의 제1기어결합, 제2 및 제3 웜기어(73a,73b)와 제4 및 제5 웜휠(81a,81b) 사이의 제2기어결합 및 제1 및 제2 피니온 기어(82a,82b)와 링기어(24) 사이의 제3기어결합을 포함할 수 있다.
상기 제1기어결합, 제2기어결합 및 제3기어결합의 감속비를 각각 예를 들어, 9:1, 7.777:1. 5:1로 설정하면, 로터(30)의 제1웜기어(35)로부터 제1 및 제2 기어트레인(70a,70b)과 제1 및 제2 피니온 기어유닛(80a,80b)을 거쳐 회전 테이블(20)의 링기어(24)에 전달되는 회전속도의 전체 감속비는 400:1로 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 스위블 액추에이터의 전체 감속비는 구동모터(100)의 토크값과 스위블 액추에이터의 원하는 출력 토크값을 고려하여 3단 기어결합 각각의 감속비를 조정하여 결정될 수 있다.
본 발명에서는 BLDC 구동모터(100)가 예를 들어, 800 rpm으로 회전될 때, 제1 및 제2 기어트레인(70a,70b)과 제1 및 제2 피니온 기어유닛(80a,80b)을 통하여 400:1로 감속되어, 회전 테이블(20)은 2 rpm으로 회전속도가 낮추어져서 회전하며, 그 결과 회전 테이블(20)에 설치되는 피동체는 큰 토크 증대가 이루어져서 원활한 회전이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 기어결합에서는 각각 웜기어와 웜휠로 이루어진 2단 기어기구를 포함하고 있어, 높은 감속비와 조용하고 부드러운 작동이 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 제1 및 제2 기어트레인(70a,70b)을 하우징(10) 내부에 대칭 구조로 배치함에 의해 백래쉬(Backlash)를 최소화함과 동시에 진동 발생을 억제할 수 있다.
즉, 본 발명에서 제1 및 제2 기어트레인(70a,70b)은 각각 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)의 일측에 상기 제1웜기어(35)와 기어 결합되는 제2 및 제3 웜휠(72a,72b)이 형성되고 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)의 타측에 제2 및 제3 웜기어(73a,73b)가 일체로 형성되며, 상기 제2 및 제3 웜기어(73a,73b)가 제1 및 제2 피니온 기어유닛(80a,80b)의 제4 및 제5 웜휠(81a,81b)에 기어결합되어, 그 결과 제1 및 제2 피니온 기어유닛(80a,80b)의 상단에 위치된 제1 및 제2 피니온 기어(82a,82b)가 상기 회전 테이블(20)에 구비된 링기어(24)를 동일한 방향으로 회전시킨다.
따라서, 본 발명에서 제1 및 제2 기어트레인(70a,70b)과 제1 및 제2 피니온 기어유닛(80a,80b)을 이용하여 구동모터(100)의 회전 동력을 회전 테이블(20)에 구비된 링기어(24)의 대향한 2지점에 대칭적으로 전달하는 동력전달 구조에 의해 백래쉬(Backlash)를 최소화함과 동시에 진동 발생을 억제할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 간격을 두고 제2 및 제3 웜휠(72a,72b)과 제2 및 제3 웜기어(73a,73b)가 일체로 형성된 제1 및 제2 동력전달축(71a,71b)을 사용하여 결합기어수를 최소화시킨 기어트레인 구조에 의해 백래쉬(Backlash)를 최소화할 수 있는 동력전달 구조를 갖는다.
또한, 본 발명에서는 소음 증가의 요인이 되는 구동모터(100)의 rpm을 낮추면서 감속 기어비가 커지는 것을 방지하기 위해 기어 트레인으로서 다줄 나사의 출력 웜기어를 구비할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 소형 구동모터와 기어트레인을 구성하는 웜휠과 웜기어가 일체로 형성된 한쌍의 동력전달축을 하우징 내부에 최적으로 배치하여 사이즈를 소형화시킬 수 있다.
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 발명에 따른 스위블 액추에이터는 회전 테이블에 설치된 피동체를 회전 테이블과 함께 회전시키기 위한 용도로 적용될 수 있다.
10: 하우징 11: 하부커버
11a: 원통부 11b: 환형 요홈
12: 바디 케이스 12a,12b: 단차부
11c,22,25: 관통구멍 13: 오일씰
20: 회전 테이블 21: 상판
23: 측면부 24: 링기어
30: 로터 31: 자석
32: 백요크 34: 로터지지체
35,73a,73b: 웜기어 50: 홀센서 어셈블리
40: 스테이터 41: 티스
42: 백요크 43: 코일
44a,44b: 인슐레이터 45: 스테이터 코어
61~63,74a,74b,75a,75b: 베어링 64: 스토퍼
70a,70b: 기어트레인 71a,71b: 동력전달축
72a,72b,81a,81b: 웜휠 80a,80b: 피니온 기어유닛
82a,82b: 피니온 기어 83a,83b: 지지축
100: 구동모터 200: 스위블 액추에이터

Claims (11)

  1. 중앙에 바닥으로부터 중공형 원통부가 돌출되고 내측벽에 단차부가 돌출된 원통형 하우징;
    상기 중공형 원통부의 외주에 회전 가능하게 결합되며 하단부가 컵형태로 이루어진 로터지지체를 구비하는 로터;
    상가 로터지지체의 컵형태의 하단부와 중공형 원통부의 하단 사이에 배치되어 상기 로터를 회전 가능하게 지지하기 위한 제1 및 제2 베어링; 및
    상기 로터의 외측에 에어갭을 두고 배치되며 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하기 위해 상기 하우징의 바닥에 배치되는 스테이터;를 포함하며,
    상기 로터지지체의 상부로 연장된 연장부에는 외주부에 제1웜기어가 일체로 형성되어 있는 스위블 액추에이터용 구동모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은
    상하부가 개방되고 내측에 단차부가 돌출되어 있는 원통형 바디 케이스; 및
    외주부가 상기 바디 케이스의 하단에 고정되고 중앙에 중공형 원통부가 돌출된 원형 하부 커버;를 포함하며,
    상기 단차부는 단차부의 하측에 배치된 구동모터와 분리하여 상측에 감속용 기어트레인과 피니온 기어유닛이 설치되는 스위블 액추에이터용 구동모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중공형 원통부의 주변에 형성된 환형 요홈에 배치되어 상기 로터 회전시에 로터위치신호를 검출하기 위한 홀센서 어셈블리를 더 포함하는 스위블 액추에이터용 구동모터.
  4. 중앙에 바닥으로부터 중공형 원통부가 돌출되고 내측벽에 제1 및 제2 단차부가 돌출된 원통형 하우징;
    상기 하우징의 바닥면에 배치되며, 로터의 상부로 연장된 원통형 연장부의 외주에 원통형 제1웜기어가 일체로 형성된 구동모터;
    각각 상기 제2 단차부의 상부에 배치되고, 제1 및 제2 동력전달축의 일측에 상기 원통형 제1웜기어의 외주에 기어 결합되는 제2 및 제3 웜휠이 형성되고 상기 제1 및 제2 동력전달축의 타측에 제2 및 제3 웜기어가 형성된 제1 및 제2 기어트레인;
    각각 제1 및 제2 지지축의 하단에 상기 제2 및 제3 웜기어와 기어결합되는 제4 및 제5 웜휠이 형성되고 상기 제1 및 제2 지지축의 상단에 제1 및 제2 피니온 기어가 일체로 형성된 제1 및 제2 피니온 기어유닛; 및
    상기 제1 및 제2 피니온 기어가 측면부의 내측에 일체로 형성된 링기어에 기어 결합되어 회전이 이루어지는 회전 테이블;을 포함하는 스위블 액추에이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 웜휠은 원통형 제1웜기어의 대향한 외주에 기어 결합되고, 상기 제1 및 제2 피니온 기어는 링기어의 대향한 내주에 기어 결합되는 스위블 액추에이터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 동력전달축은 각각 상기 원통형 제1웜기어의 축과 직교하는 수평방향으로 설치되고,
    상기 제1 및 제2 지지축은 각각 상기 제1 및 제2 동력전달축과 직교하는 수직방향으로 설치되는 스위블 액추에이터.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 로터지지체의 컵형태의 하단부와 중공형 원통부의 하단 사이에 배치되어 상기 로터를 회전 가능하게 지지하기 위한 제1 및 제2 베어링; 및
    상기 회전 테이블을 상기 중공형 원통부의 외주에 회전 가능하게 지지하기 위한 제3베어링;을 더 포함하는 스위블 액추에이터.
  8. 중앙에 바닥으로부터 중공형 원통부가 돌출되고 내측벽에 제1 및 제2 단차부가 돌출된 원통형 하우징;
    상기 하우징의 바닥면에 배치되며, 상부로 연장된 로터지지체로 회전 동력을 제공하는 구동모터;
    상기 로터지지체의 외주에 일체로 형성된 원통형 제1웜기어; 및
    각각 상기 제1웜기어의 대향한 외주에 결합되며, 상기 제1웜기어의 회전속도를 감속시켜서 증대된 토크로 회전 테이블을 회전시키기 위한 제1 및 제2 3단 기어기구;를 포함하며,
    상기 구동모터는 상기 제2단차부의 하측 공간에 배치되고, 상기 제1 및 제2 3단 기어기구는 상기 제2단차부의 상부면에 설치되는 스위블 액추에이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 3단 기어기구는
    각각 상기 제2 단차부의 상부에 배치되고 상기 제1웜기어의 외주에 결합되며, 제1 및 제2 동력전달축의 일측에 상기 제1웜기어와 기어 결합되는 제2 및 제3 웜휠이 형성되고 상기 제1 및 제2 동력전달축의 타측에 제2 및 제3 웜기어가 형성된 제1 및 제2 기어트레인;
    각각 제1 및 제2 지지축의 하단에 상기 제2 및 제3 웜기어와 기어결합되는 제4 및 제5 웜휠이 형성되고 상기 제1 및 제2 지지축의 상단에 제1 및 제2 피니온 기어가 일체로 형성된 제1 및 제2 피니온 기어유닛; 및
    상기 제1 및 제2 피니온 기어유닛의 제1 및 제2 피니온 기어가 상기 회전 테이블의 측면부 내측에 일체로 형성되어 기어결합된 링기어;를 포함하는 스위블 액추에이터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 회전 테이블과 하우징 사이에 설치되며 하부가 상기 하우징의 제1단차부에 지지되는 오일씰을 더 포함하는 스위블 액추에이터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 웜휠은 원통형 제1웜기어의 대향한 외주에 기어 결합되고, 상기 제1 및 제2 피니온 기어는 링기어의 대향한 내주에 기어 결합되는 스위블 액추에이터.
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