KR102110595B1 - 볼스크류 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼스크류 유닛에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 스크류의 회전에 따라 외륜을 직선운동시키는 경우에 상기 외륜의 백래시(backlash)를 최소화할 수 있는 볼스크류 유닛에 대한 것이다.

Description

볼스크류 유닛 {Ball Screw Unit}

본 발명은 볼스크류 유닛에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 스크류의 회전에 따라 외륜을 직선운동시키는 경우에 상기 외륜의 백래시(backlash)를 최소화할 수 있는 볼스크류 유닛에 대한 것이다.

일반적으로 볼스크류 유닛은 스크류의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 장치로서 회전운동을 직선운동으로 변환할 수 있다는 장점으로 인해 각종 기계장치를 비롯한 자동차 등의 분야에서 널리 사용되고 있다.

자동차의 경우, 동력보조 조향장치로서 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 조향장치(Hydraulic Power Steering Apparatus)가 사용되어 왔지만, 최근에는 모터를 이용한 전동식 조향장치(Electric Power Steering Apparatus)가 점차로 보편화 되어 가고 있다. 이러한, 전동식 조향장치의 구성에 전술한 볼스크류 유닛이 활용될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 볼스크류 유닛의 구성을 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래 기술에 의한 볼스크류 유닛은 스크류(40)의 외주면에 스크류홈(45)을 구비하고, 볼(10)이 순환하는 중간 경로(15)를 구비하는 중간부재(20), 상기 스크류(40)의 스크류홈(45)과 중간 경로(10)에 접하면서 구름이동 하는 볼(10)을 포함하여 구성된다.

종래의 볼스크류 유닛은 상기 볼(10)이 스크류(40)의 스크류홈(45)과 중간부재(20)의 스크류홈과 접촉하면서 구름에 의한 이동에 의하여 중간부재(20)에 형성된 직선 형상의 중간 경로(15)를 순환하는 방식을 갖는다.

이러한 종래 기술에 의한 경우에는 그 구조가 복잡하고 크기와 무게가 커지며, 볼이 순환하는 중간 경로가 드릴가공상의 문제로 직선으로 한정되어 볼과의 마찰이 증대되어 소음이 발생하는 문제점이 있었다.

특히, 종래 기술에 의한 볼스크류 유닛의 경우 볼이 순환하면서 구름이동을 하게 되므로 스크류의 회전운동이 직선운동으로 전달되는 경우에 백래시(backlash)가 발생하게 되어 정밀한 운동 전달 및 제어가 곤란하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 볼스크류 유닛에 의해 외륜 등과 같은 대상물을 직선운동시키는 경우에 백래시를 최대한 줄일 수 있는 볼스크류 유닛을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 볼스크류 유닛을 제작하는 경우에 보다 간편하고 용이하게 제작할 수 있는 볼스크류 유닛을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 볼안착홈이 외주를 따라 나선형으로 미리 결정된 피치(pitch)로 형성된 스크류, 상기 볼안착홈에 안착되어 상기 스크류의 회전에 따라 자전하는 볼, 상기 스크류가 관통하는 관통홀을 구비하며, 상기 관통홀의 내주에 상기 볼을 지지하며 상기 볼이 자전할 수 있도록 하는 볼지지홈이 형성되어 상기 스크류의 회전에 따라 직선운동하는 외륜 및 상기 외륜의 관통홀의 내주면과 상기 스크류의 외주면 사이에 배치되어, 상기 볼안착홈과 상기 볼지지홈 사이에 안착된 상기 볼의 위치를 고정하도록 상기 볼의 적어도 일부가 돌출하는 복수개의 개구부를 구비하는 케이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼스크류 유닛에 의해 달성된다.

이때, 상기 볼은 상기 스크류의 볼안착홈과 상기 외륜의 볼지지홈에 의해 지지되면서 상기 스크류의 회전에 따라 자전하게 된다.

이 경우, 상기 케이지는 상하부가 개방된 원기둥형상을 가지며, 상기 개구부는 상기 케이지의 원주를 따라 상기 케이지의 단면 중심에 대해 동일한 간격으로 배치될 수 있다.

한편, 상기 개구부는 상기 케이지의 길이방향을 따라 연장된 슬릿(slit) 형상으로 형성될 수 있다.

나아가, 상기 개구부에 복수개의 볼이 배치되며, 상기 볼은 상기 케이지의 길이방향을 따라 배치될 수 있다.

한편, 상기 케이지의 원주방향으로 형성된 상기 개구부의 높이는 상기 볼의 직경 이상으로 결정될 수 있다.

나아가, 상기 케이지의 길이방향으로 형성된 상기 개구부의 길이는 'D + P * (n-1)'으로 결정된 값 이하이며, 'D'는 상기 볼의 직경, 'P'는 상기 스크류의 피치, 'n'은 하나의 개구부에 배치되는 볼의 개수를 나타낼 수 있다.

한편, 상기 복수개의 개구부에 각각 배치된 상기 볼은 상기 케이지의 중심에서 반경방향으로 동일한 평면 상에 배치될 수 있다.

또한, 상기 케이지의 길이는 상기 관통홀의 길이 이하로 결정될 수 있다.

한편, 상기 외륜의 볼지지홈 사이의 간격은 상기 스크류의 피치에 대응하도록 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 볼스크류 유닛은 스크류가 회전하여 외륜을 직선운동시키는 경우에 볼이 스크류의 외주를 따라 이동하는 것이 아니라 케이지에 의해 위치가 고정되어 자전하게 된다. 따라서, 볼의 이동에 따른 백래시를 최대한 줄일 수 있게 되어 스크류의 회전운동을 외륜의 직선운동으로 확실하게 변환시켜 정확한 구동이 가능하도록 한다.

나아가, 상기 케이지에 의해 상기 볼의 이동을 방지하고 자전운동만 가능하게 함으로써 상기 볼스크류 유닛을 조립하는 경우에 보다 빠른 시간 내에 용이하게 조립하는 것이 가능해진다.

도 1은 종래기술에 따른 볼스크류 유닛의 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼스크류 유닛의 사시도,
도 3은 도 2에서 외륜을 제거한 상태의 사시도,
도 4는 도 2에서 내부 구성을 도시하기 위한 일부 절개도,
도 5는 도 4의 평면도,
도 6은 케이지의 사시도,
도 7은 상기 케이지의 정면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고, 만약 본 명세서에 사용된 용어가 당해 용어의 일반적 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 한편, 이하에 기술될 장치의 구성이나 제어방법은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하기 위함은 아니며, 명세서 전반에 걸쳐서 동일하게 사용된 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 볼스크류 유닛에 대해서 도면을 참조하여 상세히 살펴보도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼스크류 유닛(1000)의 사시도이고, 도 3은 도 2에서 외륜(200)을 제거한 상태의 사시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 볼스크류 유닛(1000)은 볼안착홈(145)이 외주를 따라 나선형으로 미리 결정된 피치(pitch)로 형성된 스크류(140), 상기 볼안착홈(145)에 안착되어 상기 스크류(140)의 회전에 따라 자전하는 볼(300), 상기 스크류(140)가 관통하는 관통홀(240)(도 4 참조)을 구비하며, 상기 관통홀(240)의 내주에 상기 볼(300)을 지지하며 상기 볼(300)이 자전할 수 있도록 하는 볼지지홈(230)이 형성되어 상기 스크류(140)의 회전에 따라 직선운동하는 외륜(200) 및 상기 외륜(200)의 관통홀(240)의 내주면과 상기 스크류(140)의 외주면 사이에 배치되어 상기 볼안착홈(145)과 상기 볼지지홈(230)(도 4 참조) 사이에 안착된 상기 (300)볼의 위치를 고정하도록 상기 볼(300)의 적어도 일부가 돌출하는 복수개의 개구부(420)(도 6 참조)를 구비하는 케이지(400)를 포함한다.

본 발명에 따른 볼스크류 유닛(1000)은 구동원(미도시)에 의해 상기 스크류(140)가 회전하는 경우에 상기 스크류(140)의 회전운동을 직선운동으로 변환시켜 상기 외륜(200)을 직선운동시키게 된다.

이때, 종래기술과 달리 본 발명에 따른 볼스크류 유닛(1000)에서는 볼(300)이 이동하는 것이 아니라 상기 스크류(140)가 회전하는 경우에 상기 볼(300)의 위치가 고정된 상태에서 상기 볼(300)이 자전운동을 하도록 하여 상기 스크류(140)의 회전운동을 상기 외륜(200)의 직선운동으로 변환시키는 경우에 백래시(backlash)를 최대한 줄일 수 있다.

구체적으로, 상기 스크류(140)는 미리 정해진 길이로 연장되어 형성될 수 있다. 상기 스크류(140)의 길이는 적절하게 변형될 수 있으므로 특별히 한정하지는 않는다.

이 경우, 상기 스크류(140)의 외주를 따라 나선형으로 볼안착홈(145)이 형성될 수 있으며, 상기 볼안착홈(145)은 도면에 도시된 바와 같이 미리 정해진 피치(P) 간격으로 형성될 수 있다. 상기 볼안착홈(145)에 상기 볼(300)이 안착되어 자전운동을 할 수 있도록 제공된다.

상기 스크류(140)의 소정 영역에 도면에 도시된 바와 같이 상기 케이지(400)가 장착될 수 있다. 이 경우, 상기 케이지(400)가 상기 스크류(140)를 감싸도록 배치되며, 또는 상기 스크류(140)가 상기 케이지(400)를 관통하여 배치된다.

상기 케이지(400)가 장착된 상기 스크류(140) 영역은 상기 외륜(200)의 관통홀(240)의 내측에 배치되어, 상기 스크류(140)의 회전운동을 상기 외륜(200)의 직선운동으로 변환시키게 된다. 여기서, 상기 케이지(400)는 상기 스크류(140)의 외면과 상기 외륜(200)의 관통홀(240)의 내면 사이에 배치되어, 상기 볼(300)이 이동하지 않도록 지지하며, 나아가 상기 볼(300)이 자전할 수 있도록 지지하게 된다.

도 4는 도 2에서 내부 구성을 도시하기 위해 상기 외륜(200)의 관통홀(240)의 일부를 절개한 일부 절개도이고, 도 5는 도 4의 평면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 외륜(200)은 바닥 지지부(210)와, 상기 바닥 지지부(210)에서 상부를 향해 연장된 연장부(220)를 구비할 수 있고, 바닥 지지부(210)의 폭이 연장부(220)보다 넓게 형성된다. 이때, 상기 연장부(220)에 전술한 관통홀(240)이 형성된다.

상기 관통홀(240)의 내면에는 상기 볼(300)을 지지하며 상기 볼(300)이 자전할 수 있도록 하는 볼지지홈(230)이 형성될 수 있다.

상기 볼지지홈(230)은 후술하는 바와 같이 상기 케이지(400)의 개구부(420)에 배치되는 볼(300)의 개수에 대응하여 형성될 수 있다.

예를 들어, 본 실시예의 경우 상기 케이지(400)의 하나의 개구부(420)에 2개의 볼(300)이 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 관통홀(240)의 내면에는 상기 볼 개수에 대응하여 2개의 볼지지홈(230)이 형성될 수 있다.

따라서, 전술한 볼(300)은 상기 스크류(140)의 볼안착홈(145)과 상기 외륜(200)의 볼지지홈(230)에 의해 지지되며 나아가 상기 케이지(400)에 의해 이탈이 방지된다. 따라서, 상기 스크류(140)가 회전하는 경우에 자전하면서 상기 회전운동을 상기 외륜(200)의 직선운동으로 변환시키게 된다.

결국, 상기 볼(300)은 상기 케이지(400)의 개구부(420)에 배치되어 이동이 제한되며, 나아가 상기 스크류(140)의 볼안착홈(145)과 상기 외륜(200)의 볼지지홈(230)에 의해 상기 볼(300)의 위치를 고정하게 된다. 따라서, 상기 스크류(140)가 회전하는 경우에 상기 볼(300)은 이동하지 않고 자전운동을 하게 된다.

이때, 상기 볼지지홈(230) 사이의 거리(L)는 전술한 스크류(140)의 볼안착홈(145)의 피치(P)에 대응하도록 결정될 수 있다. 즉, 상기 볼(300)의 양측은 각각 상기 스크류(140)의 볼안착홈(145)과 상기 외륜(200)의 볼지지홈(230)에 의해 지지되므로 상기 외륜(200)의 볼지지홈(230) 사이의 간격은 상기 스크류(140)의 볼안착홈(145)의 피치(P)에 대응하도록 형성된다.

한편, 상기 케이지(400)는 상기 관통홀(240)의 길이보다 상대적으로 짧도록 형성될 수 있다. 즉, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 케이지(400)가 배치된 상기 스크류(140) 영역은 상기 외륜(200)의 관통홀(240)의 내측에 배치되므로, 상기 케이지(400)의 길이는 상기 관통홀(240)의 길이 이하, 즉 상기 관통홀(240)의 길이와 동일하거나 또는 상대적으로 짧게 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 케이지(400)의 길이가 상기 관통홀(240)의 길이와 동일하다면 상기 케이지(400)가 상기 관통홀(240)에서 돌출하지 않도록 배치해야 하므로, 상기 케이지(400)의 길이는 상기 관통홀(240)의 길이에 비해 상대적으로 짧게 형성되는 것이 바람직하다.

도 6은 전술한 케이지(400)의 사시도이고, 도 7은 상기 케이지(400)의 정면도를 도시한 도면이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 케이지(400)는 상하부가 개방된 원기둥형상을 가지는 몸체부(410)를 가질 수 있다. 상기 몸체부(410)의 원기둥 형상의 내측으로 상기 스크류(140)가 관통하도록 배치된다.

한편, 상기 몸체부(410)에는 개구부(420A, 420B, 420C)가 형성될 수 있다. 이 때, 상기 개구부(420A, 420B, 420C)는 상기 케이지(400)의 원주를 따라 상기 케이지(400)의 단면 중심에 대해 동일한 간격으로 배치될 수 있다.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이 예를 들어 단면형상이 원형인 상기 케이지(400)의 원주를 따라 3개의 개구부(420A, 420B, 420C)를 구비하는 경우에 상기 케이지(400)의 단면 중심에 대해 상기 개구부(420A, 420B, 420C)는 동일한 중심각도(θ₁, θ₂, θ₃)를 가지도록, 즉 동일한 간격으로 배치될 수 있다.

상기 개구부(420A, 420B, 420C) 사이의 간격이 서로 상이하도록 제작될 수도 있으나, 이 경우 상기 개구부(420A, 420B, 420C)를 제작하는 공정이 복잡해져서 제작에 걸리는 시간 및 비용이 상승할 수 있다. 따라서, 상기 개구부(420A, 420B, 420C) 사이의 간격은 서로 동일하도록 배치될 수 있다.

전술한 바와 같이 상기 개구부(420A, 420B, 420C)가 3개 구비되는 경우에 상기 개구부(420A, 420B, 420C) 사이의 중심각도(θ₁, θ₂, θ₃)는 모두 동일하게 120도를 이룰 수 있다.

한편, 도 6을 다시 참조하면, 상기 개구부(420A, 420B, 420C)는 상기 케이지(400)의 길이방향을 따라 연장된 슬릿(slit) 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 케이지(400)의 길이방향이라 함은 상기 케이지(400)의 몸체부(410)가 원기둥 형상으로 형성되는 경우에 상기 원기둥이 길게 연장된 방향 또는 상기 원기둥의 높이 방향으로 정의될 수 있다.

상기 개구부(420A, 420B, 420C)가 상기 케이지(400)의 길이방향으로 따라 연장된 슬릿 또는 장공 형상으로 형성되는 경우에 상기 각 개구부(420A, 420B, 420C)에 배치된 볼(300)은 상기 케이지(400)의 길이방향을 따라 배치될 수 있다.

즉, 상기 케이지(400)의 각 개구부(420A, 420B, 420C)에 하나의 볼(300)이 배치될 수도 있지만, 상기 볼(300)에 의해 상기 스크류(140)와 상기 외륜(200)의 결속력을 높이고, 상기 스크류(140)의 회전운동을 상기 외륜(200)의 직선운동으로 보다 정확하게 확실하게 전달하기 위하여 상기 각 개구부(420A, 420B, 420C)에 복수개의 볼(300)이 배치될 수 있다. 본 실시예의 경우 각 개구부(420A, 420B, 420C)에 2개의 볼(300)이 배치되지만, 상기 각 개구부(420A, 420B, 420C)에 배치되는 볼(300)의 개수는 적절하게 변형될 수 있다.

이때, 상기 케이지(400)의 원주방향으로 형성된 상기 개구부(420A, 420B, 420C)의 높이(H)는 상기 볼(300)의 직경(D)(도 4 참조) 이상으로 결정될 수 있다. 이는 상기 볼(300)이 상기 스크류(140)의 볼안착홈(145)에 안착된 상태에서 상기 볼(300)이 상기 케이지(400)의 개구부(420)를 통해 외측으로 돌출되어 상기 외륜(200)의 볼지지홈(230)에 의해 지지될 수 있도록 하기 위함이다.

따라서, 상기 개구부(420)의 높이(H)는 상기 볼(300)의 직경(D)과 동일하거나, 또는 상기 볼(300)의 직경(D)에 비해 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

한편, 상기 케이지(400)의 길이방향으로 형성된 상기 개구부(420)의 길이(W)는 아래 [식 1]로 결정된 값 이하로 결정될 수 있다.

[식 1]

개구부의 길이(W) = D + P * (n-1)

상기 [식 1]에서 'D'는 상기 볼(300)의 직경, 'P'는 상기 스크류(140)의 피치, 'n'은 하나의 개구부(420A, 420B, 420C)에 배치되는 볼(300)의 개수로 정의된다.

즉, 도 5와 도 6을 참조하면, 상기 각 개구부(420)에 상기 볼(300)이 길이방향을 따라 배치되는 경우에 상기 볼(300)이 상기 개구부(420)에 끼일 수 있도록 상기 개구부(420)의 길이(W)가 결정된다.

따라서, 상기 각 개구부(420)에 배치되는 볼(300)의 개수(n)에서 하나를 뺀 값(n-1)을 상기 상기 스크류(140)의 피치(P)와 곱하여 피치 간격(NP)을 구하고, 상기 피치간격(NP)에 상기 볼(300)의 직경(D)을 더하여 상기 개구부(420)의 길이(W)를 결정할 수 있다.

이때, 상기 개구부(420)의 길이(W)는 상기 [식 1]에서 결정된 값 이하로 결정되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 개구부(420)의 길이(W)는 상기 [식 1]에서 결정된 값과 동일한 값을 갖거나, 또는 상기 [식 1]에서 결정된 값보다 상대적으로 작도록 결정될 수 있다.

상기 개구부(420)의 길이(W)가 전술한 [식 1]에서 결정된 값보다 큰 값을 갖는 경우 상기 볼(300)의 위치가 상기 케이지(400)의 길이방향 또는 상기 스크류(140)의 길이방향으로 고정되지 않게 된다. 이 경우, 상기 스크류(140)의 회전운동을 상기 외륜(200)의 직선운동으로 변환시시키는 경우에 백래시가 발생할 수 있다.

따라서, 상기 볼(300)이 상기 케이지(400)의 길이방향 또는 상기 스크류(140)의 길이방향으로 이동하지 않도록 하여 상기 볼(300)의 위치를 고정하기 위하여 상기 개구부(420)의 길이(W)는 상기 [식 1]에서 결정된 값 이하로 결정될 수 있다.

한편, 상기 복수개의 개구부(420)에 각각 배치된 상기 볼(300)은 상기 케이지(400)의 중심에서 반경방향으로 동일한 평면 상에 배치될 수 있다. 상기 볼(300)이 동일한 평면 상에 배치됨에 따라 상기 스크류(140)의 회전운동을 보다 확실하게 상기 외륜(200)의 직선운동으로 변환시킬 수 있다.

본 발명은 다양한 형태로 변형되어 실시될 수 있을 것인 바 상술한 실시예에 그 권리범위가 한정되지 않는다. 따라서 변형된 실시예가 본 발명 특허청구범위의 구성요소를 포함하고 있다면 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

140 : 스크류
145 : 볼안착홈
200 : 외륜
230 : 볼지지홈
300 : 볼
400 : 케이지
420 : 개구부

Claims (10)

1. 볼안착홈이 외주를 따라 나선형으로 미리 결정된 피치(pitch)로 형성된 스크류;
   상기 볼안착홈에 안착되어 상기 스크류의 회전에 따라 자전하는 볼;
   상기 스크류가 관통하는 관통홀을 구비하며, 상기 관통홀의 내주에 상기 볼을 지지하며 상기 볼이 자전할 수 있도록 하는 볼지지홈이 형성되어 상기 스크류의 회전에 따라 직선운동하되, 바닥 지지부와 바닥 지지부에서 상부를 향해 연장되며 관통홀이 형성되는 연장부를 포함하되, 바닥 지지부의 폭이 연장부보다 넓게 형성되는 외륜; 및
   상기 외륜의 관통홀의 내주면과 상기 스크류의 외주면 사이에 배치되어, 상기 볼안착홈과 상기 볼지지홈 사이에 안착된 상기 볼의 위치를 고정하도록 상기 볼의 적어도 일부가 돌출하는 복수개의 개구부를 구비하는 케이지;를 포함하며,
   상기 볼이 상기 스크류의 볼안착홈과 상기 외륜의 볼지지홈에 의해 지지되면서 상기 스크류의 회전에 따라 자전하고,
   상기 케이지는 상하부가 개방된 원기둥형상을 가지며, 상기 개구부는 상기 케이지의 원주를 따라 상기 케이지의 단면 중심에 대해 동일한 간격으로 배치되고,
   상기 개구부는 상기 케이지의 길이방향을 따라 연장된 슬릿(slit) 형상으로 형성되며,
   단일의 개구부에 복수개의 볼이 배치되며, 상기 볼은 상기 케이지의 길이방향을 따라 배치되고,
   상기 케이지의 길이방향으로 형성된 상기 개구부의 길이는 'D + P * (n-1)'으로 결정된 값 이하이며, 'D'는 상기 볼의 직경, 'P'는 상기 스크류의 피치, 'n'은 하나의 개구부에 배치되는 볼의 개수를 나타내고,
   상기 케이지의 길이는 상기 관통홀의 길이 이하인 것을 특징으로 하는 볼스크류 유닛.
   
   
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