KR101280291B1

KR101280291B1 - 탄성체와 핀이 결합된 치차를 구비한 플렉스플라인 및 이를 구비한 하모닉 드라이브

Info

Publication number: KR101280291B1
Application number: KR1020120121903A
Authority: KR
Inventors: 이윤규
Original assignee: 이윤규
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2013-07-01
Also published as: WO2014069709A1

Abstract

본 발명은 하모닉 드라이브(harmonic drive)에 관한 것으로, 상세하게는 산업용 로봇, 휴머노이드 로봇, 반도체(웨이퍼) 제조장치, 전자부품 삽입장치, 세라믹 형성장치, 광디스크 제조장치, 의료장치, NC(Numerical Control) 선반 등에서 고정밀도 감속비를 요구하는 장치에서 사용되는 하모닉 드라이브의 플렉스플라인에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 원형의 링 구조로 이루어진 제1 및 제2 탄성체와, 상기 제1 및 제2 탄성체를 상호 대칭 구조로 서로 연결하기 위하여 일측부가 상기 제1 탄성체에 체결되고 타측부가 상기 제2 탄성체에 체결되어 치형을 이루는 다수의 핀을 포함하는 플렉스플라인을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 제1 및 제2 탄성체와, 상기 제1 및 제2 탄성체를 상호 연결하여 서큘러 서플라인의 치형과 부분적으로 맞물리는 다수의 핀을 포함하는 플렉스플라인과 이를 구비하는 하모닉 드라이브를 제공함으로써 과도한 토오크와 반복적인 비틀림 응력에 의해 플렉스플라인이 파손되는 것을 방지할 수 있다.

Description

탄성체와 핀이 결합된 치차를 구비한 플렉스플라인 및 이를 구비한 하모닉 드라이브{FLEXSPLINE WITH TOOTHED GEAR CONNECTED ELASTIC BODY AND FIN, AND HARMONIC DRIVE HAVING THE SAME}

본 발명은 감속기에 관한 것으로, 상세하게는 산업용 로봇, 휴머노이드 로봇, 반도체(웨이퍼) 제조장치, 전자부품 삽입장치, 세라믹 형성장치, 광디스크 제조장치, 의료장치, NC(Numerical Control) 선반 등에서 고정밀도 감속비를 요구하는 기계장치들에서 사용되는 감속기의 플렉스플라인에 관한 것이다.

일반적으로 감속기(일명 하모닉 드라이브)(이하, 하모닉 드라이브라 함)는 산업용 로봇, 휴머노이드 로봇, 반도체(웨이퍼) 제조장치, 전자부품 삽입장치, 세라믹 형성장치, 광디스크 제조장치, 의료장치 및 NC(Numerical Control) 선반 등과 같이 다양한 분야의 기계장치에서 광범위하게 사용되는 감속기로서, 소형 경량이면서, 기어 회전시 소음이 작고, 고정밀도의 감속비를 얻을 수 있으며, 동력 전달 효율이 우수한 것이 특징이다.

하모닉 드라이브는 기본적으로 웨이브 제너레이터(wave generator), 플렉스플라인(flexspline) 및 서큘러 스플라인(circular spline)을 포함한다. 웨이브 제너레이터는 입력축이 연결되는 타원 형상의 캠 외주면에 볼베어링이 조립되고, 상기 볼베어링 외륜에는 플렉스플라인이 억지끼움되어 결합된다. 플렉스플라인은 원형의 얇은 금속 탄성체로서 일측 외주면에 제1 치형(기어 이빨)이 형성되어 있고, 서큘러 스플라인에는 플렉스플라인의 제1 치형에 대응하여 내주면에 제2 치형이 형성되어 있다.

이러한 하모닉 드라이브는 입력축, 입력축에 연결된 웨이브 제너레이터, 플렉스플라인, 플렉스플라인과 맞물린 서큘러 스플라인, 서큘러 스플라인과 연결된 출력축의 순서로 동력이 전달된다. 즉, 입력축이 결합된 웨이브 제너레이터가 시계방향으로 회전하면 플렉스플라인이 점진적으로 탄성 변형을 일으키면서 플렉스플라인의 제1 치형 중 일부가 서큘러 스플라인의 제2 치형 중 일부와 결합되어 동력이 전달된다. 이때, 플렉스플라인의 외주면에 형성된 제1 치형의 치수(齒數)와 서큘러 스플라인의 제2 치형의 치수 간의 차이로 인해 큰 감속비를 갖는 감속기가 구현될 수 있다.

그러나 종래기술에 따른 하모닉 드라이브에서는 웨이브 제너레이터에서 발생된 파동을 통해 플렉스플라인을 탄성 변형시키기 위하여 플렉스플라인을 비교적 얇은 금속 탄성체로 제조해야 하기 때문에 비교적 고가의 제조 설비가 요구되어 초기 설비 구축에 막대한 비용이 소요되고, 이로 인해 제품 단가가 증가하여 경제성이 저하되는 문제가 발생하였다. 더욱이 웨이브 제너레이터가 고정된 상태에서 플렉스플라인에 과도한 토오크가 반복적으로 걸릴 경우 얇은 금속 탄성체로 형성된 플렉스플라인에 소성 변형이 일어나 플렉스플라인의 제1 치형이 손상되는 등의 문제가 발생하였다.

JP 1993-332403 A, 1993. 12. 14. US 2008-0110287 A1, 2008. 05. 15. US 2007-0101820 A1, 2007. 05. 10. US 2010-0319484 A1, 2010. 12. 23. US 2010-0288066 A1, 2010. 11. 18.

따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 제조 단가를 낮추면서, 과도한 토오크과 반복적인 비틀림 응력에 의해 쉽게 파손되는 것을 방지할 수 있는 플렉스플라인 및 이를 구비한 하모닉 드라이브를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은 원형의 링 구조로 이루어진 제1 및 제2 탄성체와, 상기 제1 및 제2 탄성체를 상호 대칭 구조로 서로 연결하기 위하여 일측부가 상기 제1 탄성체에 체결되고 타측부가 상기 제2 탄성체에 체결되어 치형을 이루는 다수의 핀을 포함하는 플렉스플라인을 제공한다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2 탄성체는 각각 열가소성 탄성체로 이루어질 수 있다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은 웨이브 제너레이터와, 원형의 링 구조로 이루어진 제1 및 제2 탄성체와, 상기 제1 및 제2 탄성체를 상호 대칭 구조로 서로 연결하기 위하여 일측부가 상기 제1 탄성체에 체결되고 타측부가 상기 제2 탄성체에 체결되어 제1 치형을 형성하는 다수의 핀을 포함하되, 상기 웨이부 제너레이터가 내주면에 삽입 체결되어 상기 웨이브 제너레이터에서 발생된 파동에 의해 상기 제1 및 제2 탄성체의 형상 변형이 이루어지는 플렉스플라인과, 상기 플렉스플라인이 삽입되는 내주면에 제2 치형이 형성된 원형의 링 구조를 갖는 몸체를 포함하되, 상기 제2 치형은 상기 제1 및 제2 탄성체의 형상 변형에 의해 상기 플렉스플라인의 제1 치형을 형성하는 핀과 부분적으로 맞물리는 서큘러 스플라인을 포함하는 하모닉 드라이브를 제공한다.

바람직하게, 상기 웨이브 제너레이터는 입력축과 결합되고, 상기 입력축에 연동되어 회전하여 상기 파동을 발생하는 타원형의 캠부재와, 상기 캠부재의 외주면에 접촉되는 내륜과, 상기 플렉스플라인의 내주면에 접촉되는 외륜과, 상기 내륜과 외륜 사이에 설치되어 상기 캠부재의 회전에 따라 상기 외륜을 가압하는 가동체를 포함하는 베어링을 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 제2 치형의 치수는 상기 핀의 개수보다 2n(n은 자연수)개 많을 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 제1 및 제2 탄성체와, 상기 제1 및 제2 탄성체를 상호 연결하여 서큘러 서플라인의 치형과 부분적으로 맞물리는 다수의 핀을 포함하는 플렉스플라인과 이를 구비하는 하모닉 드라이브를 제공함으로써 종래의 얇은 금속 탄성체에 비해 제조 비용을 현저하게 낮추면서 과도한 토오크와 반복적인 비틀림 응력에 의해 플렉스플라인이 파손되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하모닉 드라이브를 도시한 분해 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 하모닉 드라이브의 조립된 상태의 단면을 도시한 조립 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 하모닉 드라이브의 조립된 상태의 단면을 도시한 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 웨이브 제너레이터를 도시한 측면 사시도.
도 5는 도 4에 도시된 웨이브 제너레이터를 정면에서 바라본 정면도.
도 6은 본 발명에 따른 플렉스플라인을 도시한 조립 사시도.
도 7은 도 6에 도시된 플렉스플라인을 도시한 분해 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 서큘러 스플라인을 도시한 사시도.
도 9는 도 8에 도시된 서큘러 스플라인을 도시한 정면도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하모닉 드라이브를 설명하기 위하여 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 하모닉 드라이브의 조립된 상태의 단면을 도시한 조립 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 하모닉 드라이브의 단면을 도시한 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하모닉 드라이브는 파동을 발생시키는 웨이브 제너레이터(10)와, 웨이브 제너레이터(10)에 의해 발생된 파동에 의해 형상이 변형되는 플렉스플라인(20)과, 플렉스플라인(20)과의 상호작용에 의해 감속회전하는 서큘러 스플라인(30)을 포함한다. 또한 웨이브 제너레이터(10), 플렉스플라인(20) 및 서큘러 스플라인(30)이 수납되는 하우스(40)를 더 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 웨이브 제너레이터를 설명하기 위하여 도시한 측면 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 웨이브 제너레이터를 정면에서 바라본 정면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 웨이브 제너레이터(10)는 입력축(도시되지 않음)이 결합되어 파동을 발생시키는 캠부재(11)와, 캠부재(11)와 플렉스플라인(20) 사이에 개재되어 상대회전이 원활하게 이루어지도록 하는 베어링(12)을 포함한다.

캠부재(11)는 상기 입력축이 삽입되는 삽입공(11a)을 포함한다. 예를 들어, 상기 입력축은 구동모터의 출력축으로서 감속되기 전의 구동축일 수 있다. 캠부재(11)는 장축 및 단축을 가지는 타원형상으로 이루어질 수 있다. 캠부재(11)의 장축에 대응하는 부분의 플렉스플라인(20)은 서큘러 스플라인(30)과 서로 맞물림되고, 상기 단축에 대응하는 부분의 플렉스플라인(20)은 서큘러 스플라인(30)과 이격된다.

베어링(12)은 캠부재(11)의 외측에 결합시 캠부재(11)의 형상에 따라 형상 변형되며, 캠부재(11)의 형상변형에 연동하여 플렉스플라인(20)도 캠부재(11)의 변형된 형상에 대응하여 형상 변형된다. 여기서, 베어링(12)은 엔지니어링 플라스틱으로 제조될 수 있으며, 이를 통해 종래 금속재질로 제조된 베어링에 비하여 캠부재(11)에 의해 발생되는 파동에 따른 형상 변형이 용이하다. 베어링(12)은 복수의 가동체(12b)와, 가동체(12b)를 구름운동 가능하게 지지하는 내륜(12a) 및 외륜(12c)을 포함한다. 여기서, 가동체(12b)는 볼 또는 니들(needle) 중 어느 하나일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 웨이브 제너레이터(10)는 베어링(12)의 내륜(12a)과 캠부재(11) 사이에 개재된 베어링(13)과 스냅링(14)을 더 포함할 수 있다. 베어링(13)은 입력축에서 캠부재(11)로 전달되는 레이디얼 하중과 스러스트 하중을 완충하여 플렉스플라인(20)과 결합된 웨이브 제너레이터(10)의 베어링(12)으로 전달되는 것을 차단한다. 스냅링(14)은 캡부재(11)가 하우스(40)와 간섭되는 것을 방지한다.

도 6은 본 발명에 따른 플렉스플라인을 설명하기 위하여 도시한 조립 사시도이고, 도 7은 분해 사시도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 플렉스플라인(20)은 웨이브 제너레이터(10)의 베어링(12)을 사이에 두고 캠부재(11)에 연동 가능하게 결합되어 있다. 이를 통해 플렉스플라인(20)은 캠부재(11)에 의해 발생된 파동에 의하여 형상 변형된다.

플렉스플라인(20)은 원형의 링 구조로 이루어진 제1 탄성체(21)와, 제1 탄성체(21)와 동일하게 원형의 링 구조로 이루어진 제2 탄성체(22)와, 제1 및 제2 탄성체(21, 22)를 서로 연결하기 위하여 일측부가 제1 탄성체(21)에 체결되고 타측부가 제2 탄성체(22)에 체결되어 치형(이하, 제1 치형이라 함)을 이루는 다수의 핀(23)을 포함한다.

다수의 핀(23)과 안정적으로 체결되기 위하여 제1 탄성체(21)에는 일례로 제2 탄성체(22)와 대향하는 일측면에 다수의 핀(23)의 일측부가 삽입되는 결합홈(도시되지 않음)(이하, 제1 결합홈이라 함)이 마련되고, 이와 대응하여 제2 탄성체(22) 또한 제1 탄성체(21)와 대향하는 일측면에 핀(23)의 타측부가 삽입되는 결합홈(도시되지 않음)(이하, 제2 결합홈이라 함)이 마련될 수 있다. 이를 통해 다수의 핀(23)은 제1 및 제2 탄성체(21, 22)가 서로 대칭되도록 제1 및 제2 탄성체(21, 22)를 서로 연결하여 제1 및 제2 탄성체(21, 22) 사이에서 제1 치형을 형성하게 된다.

제1 치형을 형성하는 핀(23)은 서큘러 스플라인(30)의 치형(이하, 제2 치형이라 함)과 부분적으로 맞물리게 된다. 이러한 핀(23)의 개수는 서큘러 스플라인(30)의 제2 치형의 치수(齒數)와 다르다. 예를 들면, 핀(23)의 개수는 서큘러 스플라인(30)의 제2 치형의 치수보다 2n(n은 자연수)만큼 작다. 다시 말하면, 서큘러 스플라인(30)의 제2 치형의 치수는 핀(23)의 개수보다 2n만큼 더 많게 형성될 수 있다.

제1 및 제2 탄성체(21, 22)는 제조 공정이 단순하고, 웨이브 제너레이터(10)의 파형에 의해 형상 변형이 안정적으로 이루어지기 위해 성형공정을 통해 제조가 가능한 고무 탄성체, 예를 들면 열가소성 탄성체로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 열가소성 탄성체로는 스티렌계(styrene)인 SBC(thermoplastic Styrenic Block Copolymer), 올핀계(olefin)인 TPO(Thermoplastic Olefinic Elastomer), 우렌탄계(urethane)인 TPU(Thermoplastic Polyurethane), 아미드계(amide)인 TPAE(Thermoplastic Polyamide), 폴리에스테르계(polyester)인 TPEE(Polyester-based Thermoplastic Engineering Elastomer)를 사용할 수 있다. 이외에도, TPV(Thermoplastic Vulcanizates), TPR(Thermoplastic Rubber) 등을 사용할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 서큘러 스플라인을 설명하기 위하여 도시한 사시도이고, 도 9는 정면도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 서큘러 스플라인(30)은 플렉스플라인(20)이 내주면에 삽입되는 원형의 링 구조를 갖는 몸체(31)를 포함한다. 몸체(31)의 내주면에는 플렉스플라인(20)의 다수의 핀(23)과 부분적으로 맞물리는 제2 치형(32)이 형성되어 있다.

서큘러 스플라인(30)의 몸체(31)의 내주연에 형성된 제2 치형(32)의 치수는 핀(23)의 개수보다 2n만큼 더 많게 형성되어 있으며, 이를 통해 감속 회전을 구현할 수 있다. 예를 들어, 플렉스플라인(20)의 제1 치형을 형성하는 핀(23)의 개수가 100개이고, 서큘러 스플라인(30)의 제2 치형의 치수가 102개일 경우, 감속비는 100:2(50:1)가 된다. 즉 캠부재(11)가 50 바퀴 회전할 때 서큘러 스플라인(30)은 1바퀴 회전한다.

한편, 본 발명에 따른 하모닉 드라이브는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 하우스(40)의 후면과 결합되는 후면 링(51)과 오일 실링(52), 후면 커버(60)를 더 포함할 수 있다. 후면 링(51)은 도 2에 도시된 바와 같이 하우스(40)와 함께 서큘러 스플라인(30)의 외주면 중앙부에 마련된 홈부에 끼워지는 크로스 롤러 베어링(53)의 일부를 고정한다. 후면 커버(60)는 서큘러 스플라인(30)의 후면에 볼트 체결된다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 하모닉 드라이브의 동작 특성을 설명하면, 먼저, 입력축에 의해 타원형의 캠부재(11)가 회전하면 캠부재(11)에 의해 파동이 발생되고, 이렇게 발생된 파동은 플렉스플라인(20)의 제1 및 제2 탄성체(21, 22)의 형상 변형을 유발시킨다. 이 과정에서 플렉스플라인(20)의 제1 치형, 즉 다수의 핀(23)과 서큘러 스플라인(30)의 몸체(31)에 형성된 제2 치형(32)이 부분적으로 맞물리고, 이때, 다수의 핀(23)의 개수와 제2 치형(32)의 치수 간의 차이로 인해 위상이 변형되면서 서큘러 스플라인(30)을 통해 감속된 출력이 출력단으로 전달된다.

이상에서와 같이 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 이는 설명을 위한 것으로서, 특히 플렉스플라인을 제외한 웨이브 제너레이터와 서큘러 스플라인의 구조와 형상은 상기한 실시예로 제한되는 것은 결코 아니며, 하모닉 드라이브의 다양한 타입, 예를 들면 하모닉 드라이브의 컴포넌트 타입, 유니트 타입, 기어헤드타입 또는 디프렌셜기어 타입에 적용된 구조와 형상은 모두 적용할 수 있다. 이와 같이, 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 본 발명의 실시예의 결합을 통해 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 웨이브 제너레이터 20 : 플렉스플라인
30 : 서큘러 스플라인 40 : 하우스
51 : 후면 링 52 : 오일 실링
53 : 크로스 롤러 베어링 60 : 후면 커버 11 : 캡부재 12, 13 : 베어링 14 : 스냅링 21 : 제1 탄성체
22 : 제2 탄성체 23 : 핀(제1 치형) 31 : 몸체 32 : 제2 치형

Claims

삭제
삭제
웨이브 제너레이터;
원형의 링 구조로 이루어진 제1 및 제2 탄성체와, 상기 제1 및 제2 탄성체를 상호 대칭 구조로 서로 연결하기 위하여 일측부가 상기 제1 탄성체에 체결되고 타측부가 상기 제2 탄성체에 체결되어 제1 치형을 형성하는 다수의 핀을 포함하되, 상기 웨이브 제너레이터가 내주면에 삽입 체결되어 상기 웨이브 제너레이터에서 발생된 파동에 의해 상기 제1 및 제2 탄성체의 형상 변형이 이루어지는 플렉스플라인; 및
상기 플렉스플라인이 삽입되는 내주면에 제2 치형이 형성된 원형의 링 구조를 갖는 몸체를 포함하되, 상기 제2 치형은 상기 제1 및 제2 탄성체의 형상 변형에 의해 상기 플렉스플라인의 제1 치형을 형성하는 핀과 부분적으로 맞물리는 서큘러 스플라인을 포함하되,
상기 플렉스플라인의 상기 제1 탄성체에는 상기 제2 탄성체와 대향하는 일측면에 상기 다수의 핀의 일측부가 삽입되는 제1 결합홈이 마련되어 있고, 상기 제1 결합홈과 대응하여 상기 제2 탄성체에는 상기 제1 탄성체와 대향하는 일측면에 상기 다수의 핀의 타측부가 삽입되는 제2 결합홈이 마련되어 있으며, 이를 통해 상기 다수의 핀은 상기 제1 탄성체와 상기 제2 탄성체가 서로 대칭되도록 상기 제1 탄성체와 상기 제2 탄성체를 서로 연결하여 상기 제1 탄성체와 상기 제2 탄성체 사이에서 상기 제1 치형을 형성하고,
상기 제1 및 제2 탄성체는 각각 열가소성 탄성체로 이루어진 하모닉 드라이브.
삭제
제 3 항에 있어서,
상기 웨이브 제너레이터는,
입력축과 결합되고, 상기 입력축에 연동되어 회전하여 상기 파동을 발생하는 타원형의 캠부재; 및
상기 캠부재의 외주면에 접촉되는 내륜과, 상기 플렉스플라인의 내주면에 접촉되는 외륜과, 상기 내륜과 외륜 사이에 설치되어 상기 캠부재의 회전에 따라 상기 외륜을 가압하는 가동체를 포함하는 베어링
을 포함하는 하모닉 드라이브.
제 3 항에 있어서,
상기 제2 치형의 치수는 상기 핀의 개수보다 2n(n은 자연수)개 많은 하모닉 드라이브.