KR20160024970A

KR20160024970A - 파동기어장치

Info

Publication number: KR20160024970A
Application number: KR1020167002050A
Authority: KR
Inventors: 요시토모 미조구치; 요시히데 기요사와
Original assignee: 가부시키가이샤 하모닉 드라이브 시스템즈
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2016-03-07
Also published as: US9797497B2; DE112013007274B4; CN105452715B; TW201525327A; JP6177327B2; DE112013007274T5; CN105452715A; TWI632309B; WO2015011820A1; JPWO2015011820A1; US20160160985A1

Abstract

플랫형의 파동기어장치(1)는, 제1내치기어(2) 및 제2내치기어(3)와, 통모양의 가요성의 외치기어(4)와, 타원모양 윤곽의 웨이브 제너레이터(5)를 구비하고 있다. 웨이브 제너레이터(5)에 의한 외치의 지지중심(P2)은, 중심축선(1a)의 방향에 있어서 외치기어(4)의 외치의 톱니폭 중심(P1)에 대하여 중심축선(1a)의 방향을 따라 어긋난 양(Δ)만큼 오프셋 되어 있다. 어긋난 방향 및 어긋난 양을 적절하게 설정함으로써 파동기어장치의 제1, 제2내치기어(2, 3)의 기계적 특성, 운전조건에 적절한 파동기어장치를 실현할 수 있다.

Description

파동기어장치{HARMONIC GEAR DEVICE}

본 발명은, 비원형(非圓形)으로 휘어질 수 있는 원통모양의 외치기어(外齒gear)를 구비한 플랫형 파동기어장치(flat型波動gear裝置)라고 불리는 파동기어장치에 관한 것이다.

플랫형의 파동기어장치는, 병렬로 배치된 제1, 제2내치기어(第1, 第2內齒gear)와, 이 내측에 배치된 원통모양의 외치기어(外齒gear)와, 외치기어의 내측에 배치된 웨이브 제너레이터(wave generator)를 구비하고 있다. 일반적으로 제1내치기어는 회전하지 않도록 고정되는 정지측 내치기어(靜止側內齒gear)이고, 제2내치기어보다 톱니수(number of teeth)가 많다. 제2내치기어는 외치기어와 동일한 톱니수의 기어이고, 외치기어와 일체로 회전할 수 있는 구동측 내치기어(驅動側內齒gear)이다. 웨이브 제너레이터에 의하여 외치기어는 비원형으로 휘어져서, 제1, 제2강성 내치기어에 대하여 부분적으로 맞물려 있다.

웨이브 제너레이터를 모터 등에 의하여 고속으로 회전시키면, 제1, 제2내치기어와 외치기어 사이의 맞물림 위치가 원주방향으로 이동된다. 제1내치기어와 외치기어의 사이에는 톱니수 차이에 따른 상대회전이 발생한다. 제1내치기어가 회전하지 않도록 고정되어 있기 때문에 외치기어가 회전한다. 외치기어의 회전은, 외치기어와 일체로 회전하는 제2내치기어로부터 꺼내어져서, 부하(負荷)측의 부재에 전달된다.

특허문헌1, 2에는, 웨이브 제너레이터로서 가요성(可撓性)의 내외륜(內外輪)을 구비하고 볼베어링(ball bearing)을 사용한 플랫형의 파동기어장치가 기재되어 있다. 특허문헌3에는, 웨이브 제너레이터로서 가요성의 내외륜을 구비하고 니들 롤러 베어링(needle roller bearing)을 사용한 플랫형의 파동기어장치가 기재되어 있다. 특허문헌4에는, 한 쌍의 롤러(roller)를 갖는 웨이브 제너레이터를 구비한 플랫형의 파동기어장치가 기재되어 있다.

: 일본국 공개특허 특개2008-240876호 공보 : 일본국 공개특허 특개2008-180259호 공보 : 일본국 공개특허 특개2011-190826호 공보 : 일본국 공개특허 특개2007-205450호 공보

종래의 플랫형 파동기어장치는, 특허문헌1∼4에 기재되어 있는 바와 같이 이하의 조건A1∼A4를 충족시키는 구성으로 되어 있다. 도4를 참조하여 설명한다.

조건A1 : 정지측의 제1내치기어(102)와 구동측의 제2내치기어(103)는 동일한 톱니폭을 구비한 기어이다.

조건A2 : 외치기어(104)는, 이들 제1, 제2내치기어(102, 103)에 있어서 각각의 톱니폭의 대략 2배의 톱니폭을 구비한 기어이다.

조건A3 : 외치기어(104)의 톱니폭 중심(P1)(톱니폭 방향의 중앙위치)을 지나고, 파동기어장치(100)의 중심축선(中心軸線)(100a)과 직교하는 직교면(直交面)(PL)을 중심으로 하여, 제1, 제2내치기어(102, 103)는 좌우대칭으로 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 외치기어(104)의 톱니폭 중심(P1)에, 제1, 제2내치기어(102, 103) 사이의 중앙위치(P3)가 일치한다.

조건A4 : 직교면(PL)을 중심으로 하여 웨이브 제너레이터(105)는 좌우대칭이 되도록 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 외치기어(104)의 톱니폭 중심(P1)에, 웨이브 제너레이터(105)에 의한 외치의 지지중심(支持中心)(P2)(볼(ball) 중심)이 일치한다.

그래서 플랫형 파동기어장치에 있어서는, 상기 조건의 변경에 대해서는 지금까지 조금도 착안되지 않았다. 그러나 본 발명자 등은, 제1내치기어의 기계적 특성 및 제2내치기어의 기계적 특성, 플랫형 파동기어장치의 운전조건 등을 고려하였을 경우에, 상기의 조건A1∼A4를 충족시키는 종래의 구성이 항상 최적이라고는 할 수 없다는 것을 찾아내었다. 예를 들면 외치기어의 톱니폭 방향의 중앙위치에, 제1, 제2내치기어 사이의 중앙위치가 일치하고 또한 웨이브 제너레이터의 볼 중심이 일치하도록 이들 부품을 배치하는 것이 항상 최적이라고는 할 수 없다.

본 발명의 과제는, 이러한 점을 고려하여 종래와는 다른 조건에 의거하여 구성된 플랫형 파동기어장치를 제안하는 것에 있다.

도1(a), (b)를 참조하여 설명하면, 본 발명의 파동기어장치(1, 1A)는,

중심축선(1a)의 방향으로 병렬로 배치된 제1내치기어(2, 2A) 및 제2내치기어(3, 3A)와,

제1, 제2내치기어(2, 3)의 내측에 배치되고, 상기 제1, 제2내치기어(2, 3)의 각각에 맞물릴 수 있는 통모양을 한 가요성의 외치기어(4)와,

외치기어(4)의 내측에 배치되고, 상기 외치기어(4)를 반경방향으로 휘어지게 하여 제1, 제2내치기어(2, 3)의 각각에 대하여 부분적으로 맞물리게 하는 웨이브 제너레이터(5)를

구비하고,

외치기어(4)의 외치(4a)는, 제1, 제2내치기어(2, 3)(2A, 3A)의 쌍방의 내치(2a, 3a)(2b, 3b)에 대하여, 이들 내치(2a, 3a)(2b, 3b)의 톱니폭 방향의 전체에 걸쳐서 맞물릴 수 있는 톱니폭을 구비하고,

웨이브 제너레이터(5)는, 외치기어(4)의 내주면에 접촉되어 상기 외치기어를 반경방향으로 비원형이 되도록 휘어지게 하는 외치지지면(5a)을 구비하고,

중심축선(1a)의 방향에 있어서 외치지지면(5a)의 중심위치를 지지중심(P2)이라고 하고, 외치(4a)의 톱니폭 방향의 중앙위치를 톱니폭 중심(P1)이라고 하면,

지지중심(P2)은, 톱니폭 중심(P1)에 대하여, 중심축선(1a)의 방향을 따라 제1내치기어(2)측 혹은 제2내치기어(3)측으로 어긋난 위치에 설정되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

여기에서 도1(a), (b)는, 본 발명의 이해를 쉽게 하기 위하여 참조하고 있으며, 본 발명을 도1(a), (b)의 구성에 한정하는 것을 의도하는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 도1(a)에 나타내는 바와 같이 제1내치기어(2)의 톱니폭(W2)과 제2내치기어(3)의 톱니폭(W3)이 동일한 경우에는, 톱니폭 중심(P1)을 지나고 중심축선(1a)과 직교하는 직교면(PL)을 중심으로 하여, 제1, 제2내치기어(2, 3)는 대칭의 위치에 배치된다.

예를 들면 제1내치기어(2)를 회전하지 않도록 고정한 정지측 내치기어로 하고, 제2내치기어(3)를 감속회전이 출력되는 구동측 내치기어로 한 경우에는, 지지중심(P2)을 외치의 톱니폭 중심(P1)에 대하여 구동측 내치기어(3)측으로 어긋나게 하면, 상대회전이 생기는 정지측 내치기어(2)와 외치기어(4) 사이의 치면마모의 억제효과가 얻어진다. 반대로 지지중심(P2)을 톱니폭 중심(P1)에 대하여 정지측 내치기어(2)측으로 어긋나게 하면, 라체팅 토크(ratcheting torque)의 증대효과가 얻어진다.

본 발명에 있어서, 도1(b)에 나타내는 바와 같이 제1내치기어(2A)의 톱니폭(W2A)과 제2내치기어(3A)의 톱니폭(W3A)이 서로 다른 경우에는, 지지중심(P2)을 지나고 중심축선(1a)과 직교하는 직교면(PL)을 중심으로 하여, 중심축선(1a)의 방향에 있어서 일방(一方)의 측에 제1내치기어(2A)가 위치하고, 타방(他方)의 측에 제2내치기어(3A)가 위치한다.

그래서 톱니폭 중심(P1)에 대한 지지중심(P2)의 어긋난 양(Δ)은, 외치기어(4)의 피치원 지름(pitch diameter)의 1% ∼4%의 범위 내의 값으로 하는 것이 바람직하다. 어긋난 양(Δ)은 구체적인 운전조건 등에 따라 적절한 양으로 설정된다. 어긋난 양(Δ)이 많아지면, 지지중심(P2)으로부터 멀어지는 측의 내치기어에 있어서의 기계적 특성이 크게 저하될 가능성이 높다. 따라서 실용상에 있어서는, 어긋난 양(Δ)을 외치기어(4)의 피치원 지름의 1% ∼4%의 범위 내의 값으로 하면 좋다.

웨이브 제너레이터(5)는, 일반적으로 도1에 나타내는 바와 같이 웨이브 플러그(6)와, 이 웨이브 플러그(6)의 외주면에 장착된 웨이브 베어링(7)을 구비하고 있다. 상기 웨이브 베어링(7)은 반경방향으로 휘어질 수 있는 외륜(8)을 구비하고, 외륜(8)의 외주면이 외치지지면(5a)이다. 이 경우에는, 지지중심(P2)은 웨이브 베어링(7)의 전동체(9)에 있어서의 중심축선(1a) 방향의 중앙위치이다. 도면에 나타내는 바와 같이 전동체(9)가 볼인 경우에는, 지지중심(P2)은 볼 중심과 일치한다.

또한 일반적으로는 상기 제1내치기어(2)의 톱니수는 제1톱니수이고, 제2내치기어(3)의 톱니수는 제1톱니수보다 적은 제2톱니수이며, 외치기어(4)의 톱니수는 제2톱니수와 동일하게 설정된다.

도1에 있어서, (a) 및 (b)는 본 발명의 파동기어장치를 나타내는 설명도이다.
도2에 있어서, (a) 및 (b)는 본 발명을 적용한 실시형태에 관한 파동기어장치의 끝면도 및 종단면도이다.
도3은, 도2의 파동기어장치의 변형예를 나타내는 종단면도이다.
도4는, 종래의 파동기어장치를 나타내는 끝면도 및 종단면도이다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명을 적용한 파동기어장치(波動gear裝置)의 실시형태에 대하여 설명한다.

도2(a)는 실시형태에 관한 파동기어장치의 끝면도(端面圖)이고, 도2(b)는 그 종단면도이다. 파동기어장치(10)는, 중심축선(中心軸線)(10a)의 방향으로 병렬로 배치된 제1내치기어(第1內齒gear)(12) 및 제2내치기어(13)를 구비하고 있다. 이들 제1, 제2내치기어(12, 13)의 내측에는, 반경방향으로 휘어질 수 있는 통모양(筒狀)의 외치기어(外齒gear)(14)가 동축(同軸)으로 배치되어 있다. 외치기어(14)는 제1, 제2내치기어(12, 13)의 각각에 맞물릴 수 있다. 외치기어(14)의 내측에는 웨이브 제너레이터(wave generator)(15)가 동축으로 배치되어 있다. 웨이브 제너레이터(15)는, 외치기어(14)를 반경방향으로 비원형(非圓形)으로 휘어지게 하여, 당해 외치기어(14)를 제1, 제2내치기어(12, 13)의 각각에 대하여 부분적으로 맞물리게 하고 있다.

제1내치기어(12)는 도면에 나타내지 않은 고정측 부재에 고정되는 정지측 내치기어(靜止側內齒gear)이고, 제2내치기어(13)는 감속회전이 출력되는 구동측 내치기어(驅動側內齒gear)이다. 정지측의 제1내치기어(12)의 톱니수(number of teeth)는 구동측의 제2내치기어(13)의 톱니수보다 많다. 또한 제1, 제2내치기어(12, 13)의 내치(12a, 13a)의 톱니폭은 동일하다.

외치기어(14)의 외치(14a)는, 제1, 제2내치기어(12, 13)의 쌍방의 내치(12a, 13a)에 대하여 이들 내치(12a, 13a)의 톱니폭 방향의 전체에 걸쳐서 맞물릴 수 있는 톱니폭을 구비하고 있다. 제1, 제2내치기어(12, 13)는 약간의 간극을 두고 병렬로 배치되어 있고, 외치(14a)의 톱니폭은 이들 내치(12a, 13a)의 대략 2배와 대략 같다. 외치기어(14)의 톱니수는 구동측의 제2내치기어(13)의 톱니수와 동일하다.

웨이브 제너레이터(15)는, 타원모양의 윤곽을 한 소정 두께의 웨이브 플러그(wave plug)(16)와, 이 웨이브 플러그(16)의 타원모양 외주면에 장착된 웨이브 베어링(wave bearing)(17)을 구비하고 있다. 웨이브 플러그(16)의 중심부에는, 모터축(도면에는 나타내지 않는다) 등을 부착하기 위한 축구멍(16a)을 구비한 보스(boss)(16b)가 형성되어 있다. 웨이브 베어링(17)은 반경방향으로 휘어질 수 있는 외륜(外輪)(18a) 및 내륜(內輪)(18b)과, 이들의 사이에 전동(轉動) 가능한 상태로 장착된 복수 개의 볼(ball)(19)을 구비하고 있다. 외륜(18a)에 있어서 타원모양으로 휘어진 외주면이 외치기어(14)의 내주면(14b)에 접촉된 외륜지지면(外輪支持面)(15a)이다.

외치기어(14)는 웨이브 제너레이터(15)에 의하여 타원모양으로 휘어지고, 그 타원형상의 장축(長軸)의 양단 위치에서 제1, 제2내치기어(12, 13)의 쌍방에 맞물려 있다. 웨이브 제너레이터(15)를 회전시키면, 제1, 제2내치기어(12, 13)와 외치기어(14)의 맞물림 위치가 원주방향으로 이동한다. 본 예에서는, 제1내치기어(12)의 톱니수는, 제2내치기어(13)의 톱니수 및 외치기어(14)의 톱니수에 대하여 2n개 많다(n : 정(正)의 정수). 예를 들면 2개 많다. 웨이브 제너레이터(15)가 1회전하면, 이 톱니수의 차이만큼 제1내치기어(12)와 외치기어(14)의 사이에 상대회전이 발생한다. 제1내치기어(12)는 회전하지 않도록 고정된 정지측 내치기어이기 때문에 외치기어(14)가 회전한다. 외치기어(14)에 맞물려 있는 타방(他方)의 제2내치기어(13)는, 외치기어(14)와 톱니수가 동일하기 때문에 외치기어(14)와 일체로 회전한다.

여기에서 외치기어(14)의 외치(14a)에 있어서 톱니폭 방향의 중앙위치를 톱니폭 중심(P1)이라고 한다. 또한 웨이브 제너레이터(15)의 외치지지면(15a)에 있어서 중심축선(10a) 방향의 중앙위치를 지지중심(支持中心)(P2)이라고 한다. 지지중심(P2)은, 중심축선(10a) 방향에 있어서 전동체(轉動體)인 볼(19)의 중심과 일치한다.

본 예에 있어서는, 웨이브 제너레이터(15)의 지지중심(P2)은 외치기어(14)의 톱니폭 중심(P1)에 대하여 중심축선(10a) 방향을 따라 정지측의 제1내치기어(12)측으로 어긋난 위치에 설정되어 있다. 이들의 어긋난 양(Δ)은, 타원모양으로 휘어지기 전의 진원상태(眞圓狀態)의 외치기어(14)에 있어서의 피치원 지름(pitch diameter)의 1%∼4%의 범위 내의 값으로 설정되어 있다. 제1, 제2내치기어(12, 13)는, 톱니폭 중심(P1)을 지나서 중심축선(10a)과 직교하는 직교면(直交面)(PL)을 중심으로 하여 좌우대칭의 위치에 배치되어 있다.

이와 같이 웨이브 제너레이터(15)의 외치의 지지중심(P2)을 정지측의 제1내치기어(12)측으로 어긋나게 놓으면, 외치의 지지중심(P2)과 톱니폭 중심(P1)이 일치하는 경우(도4를 참조)에 비하여, 내치(13a)와 외치(14a) 사이의 라체팅 토크(ratcheting torque)를 높일 수 있다.

도3은, 도2의 파동기어장치(10)의 변형예를 나타내는 종단면도이다. 도3에 나타내는 파동기어장치(10A)에서는, 웨이브 제너레이터(15)에 의한 외치(14a)의 지지중심(P2)을, 외치(14a)의 톱니폭 중심(P1)에 대하여 중심축선(10a)의 방향을 따라 구동측의 제2내치기어(13)측으로 어긋나게 하고 있다. 이렇게 하면, 외치의 지지중심(P2)과 톱니폭 중심(P1)이 일치하는 경우(도4를 참조)에 비하여, 내치(13a)와 외치(14a)의 맞물림에 기인하는 치면마모(齒面磨耗)를 억제할 수 있다.

(이 이외의 실시형태)

상기의 실시형태에서는, 제1, 제2내치기어(12, 13)의 톱니폭이 동일하지만, 도1(b)에 나타내는 바와 같이 제1, 제2내치기어(12, 13)의 톱니폭이 서로 다른 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다. 이 경우에 있어서도 외치(4a)의 톱니폭은, 제1내치기어(2A)의 내치(2b)와 제2내치기어(3A)의 내치(3b)의 톱니폭의 합계와 거의 같다. 또한 제1, 제2내치기어(2A, 3A)는, 웨이브 제너레이터에 의한 외치의 지지중심(P2)을 지나는 직교면(PL)을 중심으로 하여 그 양측에 배치된다.

또한 상기한 실시형태에서는 가요성(可撓性)의 내외륜을 구비한 볼베어링(ball bearing)을 웨이브 제너레이터에 사용하고 있다. 이 대신에, 앞에서 인용한 특허문헌3에 기재되어 바와 같이 가요성의 내외륜을 구비한 니들 롤러 베어링(needle roller bearing)을 웨이브 제너레이터에 사용하는 것도 가능하다.

또한 웨이브 제너레이터로서는, 앞에서 인용한 특허문헌4에 기재되어 있는 한 쌍의 롤러(roller)를 구비한 웨이브 제너레이터 혹은 여러 쌍의 롤러를 구비한 웨이브 제너레이터를 사용하는 것도 가능하다.

Claims

중심축선(中心軸線)(1a)의 방향으로 병렬로 배치된 제1내치기어(第1內齒gear)(2, 2A) 및 제2내치기어(3, 3A)와,
상기 제1, 제2내치기어(2, 3)의 내측에 배치되고, 상기 제1, 제2내치기어(2, 3)의 각각에 맞물릴 수 있는 통(筒)모양을 한 가요성(可撓性)의 외치기어(外齒gear)(4)와,
상기 외치기어(4)의 내측에 배치되고, 상기 외치기어(4)를 반경방향으로 휘어지게 하여 상기 제1, 제2내치기어(2, 3)의 각각에 대하여 부분적으로 맞물리게 하는 웨이브 제너레이터(wave generator)(5)를
구비하고,
상기 외치기어(4)의 외치(4a)는, 상기 제1, 제2내치기어(2, 3)(2A, 3A)의 쌍방의 내치(2a, 3a)(2b, 3b)에 대하여, 이들 내치(2a, 3a)(2b, 3b)의 톱니폭 방향의 전체에 걸쳐서 맞물릴 수 있는 톱니폭을 구비하고,
상기 웨이브 제너레이터(5)는, 상기 외치기어(4)의 내주면에 접촉되어 상기 외치기어를 반경방향으로 비원형(非圓形)이 되도록 휘어지게 하는 외치지지면(外齒支持面)(5a)을 구비하고,
상기 중심축선(1a)의 방향에 있어서의 상기 외치지지면(5a)의 중심위치를 지지중심(P2)이라고 하고, 상기 외치(4a)의 톱니폭 방향의 중앙위치를 톱니폭 중심(P1)이라고 하면,
상기 지지중심(P2)은, 상기 톱니폭 중심(P1)에 대하여, 상기 중심축선(1a)의 방향을 따라 상기 제1내치기어(2)측 혹은 상기 제2내치기어(3)측으로 어긋난 위치에 설정되어 있는 것을
특징으로 하는 파동기어장치(1, 1A).
제1항에 있어서,
상기 제1내치기어(2)의 톱니폭(W2)과 상기 제2내치기어(3)의 톱니폭(W3)이 동일하고,
상기 톱니폭 중심(P1)을 지나고 상기 중심축선(1a)과 직교하는 직교면(直交面)(PL)을 중심으로 하여, 상기 제1, 제2내치기어(2, 3)는 대칭의 위치에 배치되어 있는
파동기어장치(1).
제1항에 있어서,
상기 제1내치기어(2A)의 톱니폭(W2A)과 상기 제2내치기어(3A)의 톱니폭(W3A)이 서로 다르고,
상기 지지중심(P2)을 지나고 상기 중심축선(1a)과 직교하는 직교면(PL)을 중심으로 하여, 상기 중심축선(1a)의 방향에 있어서 일방(一方)의 측에 상기 제1내치기어(2A)가 위치하고, 타방(他方)의 측에 상기 제2내치기어(3A)가 위치하고 있는
파동기어장치(1A).
제1항 내지 제3항에 있어서,
상기 톱니폭 중심(P1)에 대한 상기 지지중심(P2)의 어긋난 양(Δ)은, 상기 외치기어(4)의 피치원 지름(pitch diameter)의 1%∼4%의 범위 내의 값인 파동기어장치(1, 1A).
제1항 내지 제4항에 있어서,
웨이브 제너레이터(5)는, 웨이브 플러그(wave plug)(6)와, 이 웨이브 플러그(6)의 외주면에 장착된 웨이브 베어링(wave bearing)(7)을 구비하고,
상기 웨이브 베어링(7)은 반경방향으로 휘어질 수 있는 외륜(外輪)(8)을 구비하고,
상기 외륜(8)의 외주면이 상기 외치지지면(5a)이고,
상기 지지중심(P2)은, 상기 웨이브 베어링(7)의 전동체(轉動體)(9)에 있어서의 상기 중심축선(1a)의 방향의 중앙위치인
파동기어장치(1, 1A).
제1항 내지 제5항에 있어서,
상기 제1내치기어(2)의 톱니수(number of teeth)는 제1톱니수이고,
상기 제2내치기어(3)의 톱니수는, 상기 제1톱니수보다 적은 제2톱니수이고,
상기 외치기어(4)의 톱니수는 상기 제2톱니수와 동일하게 설정되는
파동기어장치(1, 1A).