KR100556014B1

KR100556014B1 - 비원형 기어 및 비원형 기어를 사용한 용적식 유량계

Info

Publication number: KR100556014B1
Application number: KR20040047204A
Authority: KR
Inventors: 오노세이고
Original assignee: 가부시키가이샤 오바루
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2006-03-03
Also published as: CN1573302A; JP2005017001A; TW200508575A; KR20050001379A; CN1324307C; JP3827655B2; TWI257476B

Abstract

잇수를 4n+ 2장(n은 자연수), 장축상의 양 끝단을 이홈{치형(34, 35) 사이의 이홈 등}, 단축상의 양 끝단을 이끝{치형(31)의 이끝 등} 피치곡선을 예를 들면 타원으로 하고, 치형(31∼37, 41∼47)을 기본 치형 곡선으로 한다. 이 치형 곡선은, 맞물림잇면{잇면(33a) 등}을 인벌류트 곡선, 비 맞물림잇면{잇면(33b) 등}을 사이클로이드 곡선으로 하고, 절하한계, 선단한계에 의해 각 치형의 공구압력각이 설정된다. 비원형 기어(30, 50)는 기본 치형 곡선에 의거하여, 장축상의 양 끝단에 있는 이홈을 끼운 2개의 치형{치형(34, 35) 등}사이의 오목부을 메우고, 단축상의 양 끝단의 이끝{치형(31)의 이끝 등}을 포함한 치부(齒部)을 깎은 형상을 가지며, 최종적으로 완성되는 잇수를 4n - 2장으로 한다.

이에 따라, 맞물림압력각의 변화를 적게 하여, 맞물림잇면의 공구압력각설정에 유리하고, 오버행부의 형성 없이 적은 잇수로 하여, 설치하는 케이싱의 내벽과의 밀봉성을 충분히 확보할 수 있는 비원형 기어를 얻을 수 있다.

Description

비원형 기어 및 비원형 기어를 사용한 용적식 유량계{NON CIRCULAR GEAR AND POSITIVE DISPLACEMENT FLOWMETER USING IT}

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 비원형 기어를 구비한 용적식 유량계의 일 구성예를 도시한 도면이다.

도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 비원형 기어의 일 구성예를 도시한 도면이다.

도 3은, 도 2의 비원형 기어를 설계할 때에 고려한 점을 설명하는 일련의 구성도이다.

도 4는, 도 2의 비원형 기어를 설계할 때에 고려한 점을 설명하는 일련의 구성도이다.

도 5는, 도 2의 비원형 기어를 설계할 때에 고려한 점을 설명하는 일련의 구성도이다.

도 6은, 도 2의 비원형 기어를 설계할 때에 고려한 점을 설명하는 일련의 구성도이다.

도 7은, 본 발명의 다른 실시형태에 관한 비원형 기어의 일 구성예를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 용적석 유량계 11 : 상자체(바깥상자)

12 : 단면판 15 : 전기센서

20 : 계량실 21 : 유입구

22 : 유출구 23, 27 : 회전자(비원형 기어)

23a : 회전자의 기어부(맞물림부) 23b : 회전자의 단면

24 : 회전자의 회전축 25, 26 : 자석

30, 30' : 제 1 비원형 기어

31∼37, 41∼47 : 제 1 비원형기어에 있어서의 제 1∼제 14 치형

33a : 제 3 치형에 있어서의 맞물림잇면

33b : 제 3 치형에 있어서의 비맞물림잇면

33c : 제 3 치형에 있어서의 이끝

36a : 제 6 치형에 있어서의 맞물림잇면

36b : 제 6 치형에 있어서의 비맞물림잇면

36c : 제 6 치형에 있어서의 이끝

38, 48 : 제 1 비원형 기어에 있어서의 오목부

39, 39', 49, 49' : 제 1 비원형 기어에 있어서의 볼록부

50, 50' : 제 2 비원형 기어

51∼57, 61∼67 : 제 2 비원형기어에 있어서의 제 1∼제 14 치형

58, 68 : 제 2 비원형 기어에 있어서의 오목부

59, 59', 69, 69' : 제 2 비원형 기어에 있어서의 볼록부

O1 : 제 1 비원형기어의 중심

O2 : 제 2 비원형기어의 중심

L : 치형곡선

La : 맞물림잇면

Lb : 비맞물림잇면

Lc : 이끝

P : 피치곡선

R : 피치곡선의 중심으로부터의 방사선

T : 치형의 이끝을 연결한 곡선

B : 치형의 바닥부를 연결한 곡선

본 발명은, 비원형 기어 및 비원형 기어를 사용한 용적식 유량계에 관한 것이다.

종래로부터, 비원형 기어는 용적식 유량계나 펌프 등에 사용되고 있었다. 비원형 기어 중 피치곡선이 ρ= a/(1-bcos2θ)로 표시되는 오벌 기어(oval gear)는, 회전에 의한 맞물림 압력각(??合壓力角)의 변화가 크고, 또한, 긴 지름부에서의 치형의 절하(切下) 등의 간섭을 피하기 위해서 치형 모듈을 작게 하여 톱니 수 를 많게 하고 있다. 여기서, ρ: 운동지름, a : 상사계수(相似係數), b : 편평도(扁平度), θ: 편각(偏角)이라고 한다.

회전에 의한 맞물림 압력각의 변화를 크게 하지 않는 기술로서, 타원형기어의 일종인 오벌 기어가 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허공고공보 평1-39052호 참조). 오벌 기어는, 기어의 피치곡선 상에 새겨지는 치형 곡선의 실질부를 항상 회전중심방향으로 톱니 부착함으로써, 맞물림압력각의 변화를 적게 또한 절대로 음이 되지 않도록 설계된 비(非) 원형기어이다. 이 오벌 기어는, 1회전당 토출량이 크고, 장기간 높은 정밀도를 유지할 수 있기 때문에 용적식 유량계의 회전자로서 많이 사용되고 있다.

또한, 인벌류트 치형(齒形)의 절하를 방지하는 기술로서, 종래로부터 특수한 전위를 띤 변형 타원 기어가 제안되어 있다{예를 들면, 이치가와쓰네오 저(著), '기어 펌프', 일간공업신문사, 1962년 8월 20일 발행, p.165-166참조}. 이 변형 타원 기어는, 잇수가 14장으로 실용화되어, 세이코 펌프로서 알려진 펌프내에 조립되어 있고, 기어에 있어서의 긴 지름의 선단(top)에 위치하는 펌프 내벽과의 시일부분은, 장축방향의 양 끝단에서 각 1개의 톱니로 구성되어 있다. 또한, 이 변형 타원 기어는, 절하가 없는 치형이지만, 오버행(overhang)부를 가지고 있다. 여기서, 오버행부란, 피치곡선과 각 치형의 맞물림잇면과의 접점과 타원중심을 연결하는 직선으로부터, 치형이 밀려나오고 있는 부분을 가리킨다.

한편, 비(非)원형기어는 금속재료로 제조되는 경우가 많지만, 비용을 감안하여 염가의 수지성형으로 제조되는 경우도 있다. 그러나, 수지성형의 비원형 기어 를 고려한 경우, 성형성을 높여 치형 강도를 향상시킬 필요가 있으며, 그를 위해서는 치형 모듈을 크게 하여 잇수(齒數)를 적게 하지 않으면 안 된다.

잇수를 적게 하는 기술로서는, 상술한 이치가와쓰네오 저(著) '기어 펌프'에 기재된 변형 타원 기어를 예로 들 수 있지만, 이 기어는, 오버행부를 가진 치형을 갖게 되어 버린다. 수지성형에 의한 타원 기어는, 수지를 주입하여 굳힐 때에 주형내에서 타원중심방향을 향하여 수지가 수축함으로써 형성되지만, 오버행부에서는 수축방향이 없기 때문에 수축할 수 없고 그 부분에서 결함이 생기기 쉽다. 따라서, 오버행부가 존재하지 않도록 치형을 설계하는 것이 요구된다.

또한, 비원형 기어로서, 돌기 치형을 가진 돌기 기어도 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허공고공보 소62-3885호 참조). 일본 특허공고공보 소62-3885호에 기재된 비원형기어식 유량계는, 소형유량계로서의 측정 정밀도를 높이는 것 및 1회전당 토출량을 많게 하는 것을 목적으로 하여, 긴 지름부의 치형을 돌기시키고 또한 그 돌기부분과 맞물림하는 노치를 짧은 지름부로 형성한 비원형 기어를 구비하고 있다.

상술한 바와 같이, 비원형 기어를 수지성형으로 제조하는 경우, 수지 치형의 강도를 높일 필요가 있고, 그 때문에 모듈을 크게 할 필요가 있지만, 모듈을 크게 하기 위해서는, 기어 전체의 크기의 제한도 있어 잇수를 적게 하는 것이 요구된다. 그러나, 비원형 기어에 있어서 단지 절하를 막으면서 공구압력각을 크게 하는 것에 의해 치형을 기울이는 것으로써 기어 전체에 대한 모듈의 비율을 크게 하는 것만으로는, 오버행하는 치형을 수지성형으로 형성할 필요가 생기고, 결과적으로 그 부분 에서 결함이 생겨 버린다.

일본 특허공고공보 평1-39052호에는, 기어 등의 피치곡선 상에 새겨지는 치형 곡선의 실질부를 항상 회전중심방향으로 톱니 부착함으로써, 공구압력각(인벌류트 치형을 처음 만드는 공구의 압력각)의 설정에 있어서 맞물림압력각이 음(-)이 되지 않을 정도로 치형을 기울이고, 그 결과, 오버행부를 가진 치형이 없도록 설계된 오벌 기어가 기재되어 있지만, 오버행부가 없고 또한 잇수를 적게 하는 기술에 대해서는 기재되어 있지 않다.

일본 특허공고공보 소62-3885호에 기재된 유량계에서는, 회전자의 축이 케이싱(여기서는 계량실)측에 고정된 돌기 기어를 실제로 설계·제조한 경우, 선단 (top) 부분의 돌기는 모듈에 비례하여 크게 하지 않을 수 없고, 따라서 그 돌기에 맞물리는 오목부의 함몰도 커지고, 돌기 기어의 중심에 설치해야 하는 축받이가 들어가는 영역을 확보할 수 없다. 또한, 일본 특허공고공보 소62-3885호에 기재된 돌기 기어에 있어서도, 오버행부를 갖지 않도록 잇수를 적게 하기 위한 기술에 대해서는 기재되어 있지 않다. 따라서, 이 돌기 기어는, 잇수가 많아지기 때문에, 그 선단 부분의 돌기와 케이싱의 내벽과의 시일길이(시일 폭)를 작게 하지 않을 수 없다. 시일길이가 짧은 기어는, 선단부로부터의 누설량이 많아져, 용적식 유량계에 설치하기에는 적합하지 않다.

또한, 일본 특허공고공보 평1-39052호 등의 종래 기술에 의한 비원형 기어에 있어서, 잇수를 적게 하고 또한 오버행을 방지하기 위해서는, 공구압력각을 선단 한계까지 크게 함으로써 치형을 기울여 날카롭게 한 설계로 하는 것을 생각할 수 있지만, 그 비원형 기어와 그것을 설치하는 케이싱의 내벽과의 시일부분이 거의 없어져, 밀봉성을 확보할 수 없게 되므로, 기어를 맞물리게 한 회전에 따라 선단 부분에서의 마모가 심하다. 따라서, 특히 톱(top)부나 그 부근의 치형이라 하더라도, 선단 한계까지 구부려 설계되어 있지 않다.

또한, 수지성형의 비원형 기어에 한정되지 않고, 예를 들면 금속 등으로 형성된 비원형 기어이더라도, 선단 한계까지 날카롭게 한 치형 및 시일길이가 짧다고 하는 결점을 가진 것은 사용에 견딜 수 없다. 따라서, 수지성형 이외의 비원형 기어이더라도, 선단 한계까지 날카롭게 한 치형을 사용한 설계는 이루어지지 않고 있었다.

본 발명의 목적은, 상술한 바와 같은 실정에 비추어 이루어진 것으로, 맞물림압력각의 변화를 적게 하고, 맞물림잇면에 있어서의 공구압력각 설정에 유리하고, 오버행부를 형성하는 일 없이 잇수를 적게 하여, 케이싱 내에 설치할 때에 케이싱의 내벽과의 밀봉성을 충분히 확보하는 것이 가능한 비원형 기어, 및 그 비원형 기어를 구비한 용적식 유량계를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 이하의 청구항에 기재되는 각 기술수단에 의해 구성된다.

청구항 1에 기재되는 제 1 기술수단은, 케이싱 내에 한 쌍으로 설치되는 비원형 기어로서, 이 비원형 기어는, 잇수를 4n + 2장(n은 자연수), 장축상의 양 끝단을 이홈, 단축상의 양 끝단을 이끝, 맞물림 잇면을 인벌류트 곡선, 비 맞물림잇면을 사이클로이드(cycloid) 곡선으로 한 치형 곡선을 가지며, 이 치형 곡선에 있 어서의 각 치형의 인벌류트 곡선의 공구압력각은, 절하한계 및 선단한계에 의해 설정되고, 이 비원형 기어는, 상기 치형 곡선에 의거하여, 상기 장축상의 양 끝단에 있는 이홈을 포함한, 해당 이홈을 끼운 2개의 치형 사이의 오목부를 메우고, 또한, 상기 단축상의 양 끝단의 이끝을 포함한 톱니부를 깎은, 잇수가 4n-2장의 형상을 가진 것을 특징으로 한 것이다.

청구항 2에 기재되는 제 2 기술수단은, 제 1 기술수단에 있어서, 해당 비원형 기어는, 상기 오목부를 메운 형상을 가진 볼록부와, 이 비원형 기어와 같은 비원형 기어에 있어서의 상기 톱니부를 깎은 형상을 가진 오목부를 맞물리도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한 것이다.

청구항 3에 기재되는 제 3 기술수단은, 제 1 또는 제 2 기술수단에 있어서, 상기 치형 곡선은 상기 케이싱에 있어서의 해당 비원형 기어의 설치장소 및 내벽의 크기에 의해 결정하고, 상기 형상은 상기 오목부를 상기 케이싱의 내벽에 맞춘 원호로 메운 것을 특징으로 한 것이다.

청구항 4에 기재되는 제 4 기술수단은, 제 1 또는 제 2 기술수단에 있어서, 상기 치형 곡선은 상기 케이싱에 있어서의 해당 비원형 기어의 설치장소 및 내벽의 크기에 의해 결정하고, 상기 형상은 상기 오목부를 상기 케이싱의 내벽에 맞춘 곡선으로 메운 것으로, 이 메워진 곡선은, 해당 비원형 기어와 같은 비원형 기어에 있어서의 상기 톱니부를 깎아서 생긴 오목부의 바닥과 맞물림시에 접촉시키는 것을 특징으로 한 것이다.

청구항 5에 기재되는 제 5 기술수단은, 제 1 내지 제 4 중 어느 하나의 기술 수단에 있어서, 상기 치형 곡선은, 잇수가 14 또는 18인 것으로 하여, 결과적으로 각각, 잇수가 10 또는 14가 되도록 구성한 것을 특징으로 한 것이다.

청구항 6에 기재되는 제 6 기술수단은, 제 1 내지 제 5 중의 어느 하나의 기술수단에 있어서, 해당 비원형 기어의 피치곡선은, 구름접촉조건을 만족하는 단일의 폐곡선 혹은 여러 종류를 조합한 폐곡선인 것을 특징으로 한 것이다.

청구항 7에 기재되는 제 7 기술수단은, 제 1 내지 제 6 중의 어느 하나의 기술수단에 있어서, 해당 비원형 기어는 수지로 형성되어 있는 것을 특징으로 한 것이다.

청구항 8에 기재되는 제 8 기술수단은, 제 1 내지 제 7 중의 어느 하나의 기술수단에 있어서, 상기 케이싱은 용적식 유량계에 있어서의 계량실인 것을 특징으로 한 것이다.

청구항 9에 기재되는 제 9 기술수단은, 제 8 기술수단에 있어서의 비원형 기어를 한 쌍 구비한 용적식 유량계로서, 상기 한 쌍의 비원형 기어를 상기 계량실내에 한 쌍의 회전자로서 맞물려 설치하고, 해당 한 쌍의 회전자가 토출하는 피측정 유체의 유량을 측정하는 것을 특징으로 하는 용적식 유량계이다.

이러한 구성으로부터, 본 발명에 의하면, 비원형 기어에 있어서, 맞물림압력각의 변화를 적게 하고, 맞물림 잇면에 있어서의 공구압력각 설정에 유리하며, 오버행부를 형성하는 경우도 없이 잇수를 적게 하여, 케이싱내에 설치할 때에 케이싱의 내벽과의 밀봉성을 충분히 확보할 수가 있다.

또한, 본 발명에 관한 용적식 유량계에 의하면, 그 비원형 기어를 사용하고 있기 때문에, 견고하고 고정밀도의 유량측정이 가능하다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 비원형 기어를 구비한 용적식 유량계의 일 구성예를 도시한 도면으로, 도 1(A)는 도 1(B)의 화살 표시 A-A선 단면도, 도 1(B)는 도 1(A)의 화살 표시 B-B선 단면도이다. 도면 중에서, 부호 10은 용적식 유량계, 11은 상자몸체(바깥상자), 12는 끝단면판, 15는 자기센서, 20은 계량실, 21은 유입구, 22는 유출구, 23, 27은 회전자, 23a는 회전자(23)의 기어부(맞물림부), 23b는 회전자(23)의 끝단면, 24는 회전자(23)의 회전축, 25, 26은 자석이다.

용적식 유량계(10)는, 바깥상자(11)와, 덮개부(끝단면판)(12)와, 바깥상자 (11) 및 끝단면판(12)에 의해 형성되는 공간에 해당하는 계량실(20), 및 계량실 (20)내에 배치되어 회전축(24) 둘레에 회전가능하게 지지되는 회전자(23) 및 그것과 같은 회전자(27)와, 자기센서(15)를 그 주요한 구성요소로 한다.

계량실(20)은, 유입구(21) 및 유출구(22)에 연이어 통한 바깥상자(11)의 내벽과, 개구한 바깥상자(11)를 밀봉하기 위해서 바깥상자(11)에 부착된 비(非) 자성재로 이루어지는 끝단면판(12)에 의해 구성된다. 또한, 계량실(20)내에는, 회전축 (24)이 수직으로 또한 서로 평행하게 매설되고, 회전축(24)에 회전가능하게 지지된 비원형 기어의 회전자(23) 및 같은 회전축으로 회전가능하게 지지된 비원형 기어의 회전자(27)가 각각 맞물리도록 배치되어 있다. 본 발명의 특징부분인 비원형 기어의 회전자(23, 27)에 대해서는 후술한다.

또한, 한 쪽의 회전자(23)의 끝단면(23b)에는 축대칭인 위치(여기서는 긴 지름 위)에 자석(25, 26)이 매설되어 있다. 이렇게, 계량실(20)내에서 유입하는 유체의 부피에 비례하여 회전하는 회전자(23)의 끝단면(23b)에, 기둥형상의 자석(25, 26)을 눌러 넣어, 자석(25, 26)의 자속(磁束)이 끝단면판(12) 위에 배치된 자기센서(15)에 의해 검출될 수 있도록 하고 있다. 본 구성예에서는, 자석(25, 26)을 회전자(23)에 매설한 예를 도시하였지만, 회전자(27)에 매설하여도 좋고, 더욱 1개의 자석만을 매설하도록 하여도 좋다.

또한, 상술한 용적식 유량계는, 자기감지방식을 채용한 것을 예시하였지만, 전자식의 감지방식을 채용하여도 좋고, 또한 광학적으로 회전자의 위치를 검출하는 방식(광학식 위치검출방식)이나 회전자의 축의 회전을 기계적으로 외부로 전달하는 방식을 채용하여도 좋고, 회전자의 회전동작을 어떤 수단으로 계측할 수 있으면 된다.

이하에 상술한 용적식 유량계에 한정하지 않고, 한 쌍의 회전자가 토출하는 피측정 유체의 유량을 측정하는 용적식 유량계에도, 한 쌍의 회전자로서 맞물리게 하여 설치할 수 있는 비원형 기어에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 비원형 기어의 일 구성예를 도시한 도면으로, 도 2(A), (B)는, 한 쌍의 비원형 기어의 맞물림을 그 회전위치에 따라서 도시한 도면이다. 도면 중, 부호 30은 제 1 비원형 기어, 31∼37, 41∼47은 각각 제 1 비원형 기어에 있어서의 제 1 ∼ 제 14 치형이고, 33a, 33b, 33c는 각각 제 3 치형에 있어서의 맞물림잇면, 비맞물림잇면, 이끝이고, 36a, 36b, 36c는 각각 제 6 치형에 있어서의 맞물림잇면, 비맞물림잇면, 이끝이고, 38, 48은 제 1 비원형 기어에 있어서의 오목부이고, 39, 49는 제 1 비원형 기어에 있어서의 볼록부이고, 50은 제 2 비원형 기어이고, 51∼57, 61∼67은 각각 제 2 비원형 기어에 있어서의 제1∼제 14 치형이고, 58, 68은 제 2 비원형 기어에 있어서의 오목부이고, 59, 69는 제 2 비원형 기어에 있어서의 볼록부이고, O1는 제 1 비원형 기어의 중심이며, O2는 제 2 비원형 기어의 중심이다.

본 발명의 일 실시형태에 관한 비원형 기어(30, 50){도 1의 회전자(23, 27)에 해당한다}는, 케이싱 내에 한 쌍으로 설치되어야 하는 비원형 기어로서, 다음의 치형 곡선을 갖는 것으로 한다. 여기서, 케이싱은, 용적식 유량계에 있어서의 계량실에 해당한다. 여기서, 비원형 기어(30, 50)가 수지(수지 몰드 등의 성형에 의해)로 형성되어 있는 것으로 함으로써, 염가로 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 잇수를 적게 하고, 또한 회전중심방향으로의 수축에 의해 결함이 생기는 오버행부를 형성시키지 않도록 하는 본 발명의 특징부분을 살린 형태가 된다. 그러나, 물론, 비원형 기어(30, 50)는 수지성형 뿐만 아니라, 금속을 깎아 가공한 것 등, 여러 가지 재료, 제조방법에 의해서 형성할 수 있다.

이 치형 곡선은, 피치곡선을 타원으로 하여 새겨진 치형 곡선으로서, 잇수를 4n + 2장(n = 1, 2, 3,...), 장축상의 양 끝단을 이홈(齒溝){예를 들면 치형(34)과 치형(35)의 사이의 이홈}, 단축상의 양 끝단을 이끝(齒先){예를 들면 치형(31)의 이끝)로 하고, 치형(31∼37, 41∼47){비원형 기어(50)의 경우, 치형(51∼57, 61∼67)}을 기본 곡선으로 하고 있다. 한편, 도 2에서는 n = 3으로 총 14장의 경 우를 예시하고 있다. 또한, n을 작게 취한 경우, 혹은 보다 소형의 기어의 경우는 피치곡선의 편평도를 작게 하여, 원형에 가깝도록 하면 좋다. 또한, 여기서는 피치곡선을 타원으로서 설명하고 있지만, 비원형 기어의 피치곡선은, 오벌 기어의 피치곡선 ρ = a/(1-bcos2θ)로 대표되는 것에 한정되지 않고, 구름접촉조건을 만족하는 단일의 폐곡선 혹은 여러 종류를 조합한 폐곡선이면 좋다.

잇수에 관하여, 메운 부분 및 깎은 부분을 고려하기 전의 잇수, 즉 원래의 치형 곡선에 있어서의 치형의 수로서는, 메운 부분 및 깎은 부분을 감안하여 6개 이상의 수(4n + 2)이면 좋고, 후술하는 메운 부분 및 깎은 부분을 고려하면, 최종적으로 완성되는 잇수는 4n - 2장이 된다. 실제로는, 원래의 치형 곡선은, 잇수가 14 또는 18인 것으로 하며, 최종적으로 각각, 잇수가 10 또는 14가 되도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한 이 기본 치형 곡선은, 맞물림잇면을 인벌류트 곡선, 비맞물림잇면을 사이클로이드 곡선으로 한 치형 곡선이다. 제 1 비원형 기어(30)의 제 3 치형(33)을 예로 들어 설명하면, 맞물림잇면(33a)을 인벌류트 곡선으로 하고, 이끝(33c)를 끼워 비맞물림잇면(33b)을 사이클로이드 곡선으로 하고 있다. 또한, 이 치형곡선은, 절하한계 및 선단한계에 의해 각 치형의 인벌류트 곡선의 공구압력각이 설정되는 것으로 한다. 한편, 비맞물림잇면은 사이클로이드 곡선이고, 공구압력각은 제로이며, 또한, 피치곡선의 바깥쪽의 비맞물림잇면은 피치곡선의 바깥쪽을 굴러갈 때에 생기는 에피사이클로이드(epicycloid), 피치곡선의 안쪽의 비맞물림잇면은 피치곡선의 안쪽을 굴러 갈 때 생기는 하이포사이클로이드(hypocycloid)이다.

그리고, 비원형 기어(30, 50)는, 상술한 기본 치형 곡선에 의거하여, 장축상의 양 끝단에 있는 이홈{예를 들면 치형(34)과 치형(35)의 사이의 이홈}을 포함한 오목부로서, 그 이홈을 끼운 2개의 치형{예를 들면 치형(34) 및 치형(35)}사이의 오목부를 메운 형상을 갖도록 설계되어 있다. 도 2에서는, 예컨대 치형(34) 및 치형(35)사이의 오목부를 곡선으로 메운 볼록부(39)를 가진 형상으로서 도시하고 있으며, 이 곡선(39)은 그 오목부를 케이싱의 내벽에 맞춘 원호로 메운 것으로 하고 있다. 한편, 이 때, 치형 곡선은 케이싱에 있어서의 비원형 기어의 설치장소 및 내벽의 크기에 의해 결정하고 있다. 또한, 예를 들면, 볼록부(39)의 바탕이 되는 치형(34) 및 치형(35)의 맞물림잇면 쪽은 그대로 치형을 남기도록 설계되어 있다.

또한, 비원형 기어(30, 50)는, 기본 치형 곡선에 기초하여, 단축상의 양 끝단의 이끝{예컨대 치형(31)의 이끝}을 포함하는 치부(齒部)를 깎은 형상을 갖도록 설계하고 있다. 도 2에서는, 예컨대 치형(31)의 이끝을 포함하는 치부{치형(31)에 해당}를 깎고, 오목부(38)를 가진 형상으로서 도시하고 있다. 따라서, 기본 치형곡선의 잇수를 4n + 2장으로 하면, 최종적인 치형곡선의 잇수는 4n - 2장이 된다.

그리고, 비원형 기어(30) 및 비원형 기어(50)는, 2개의 치형{예를 들면 치형 (34) 및 치형(35)}사이의 오목부를 메운 형상을 가진 볼록부(39)와, 비원형 기어 (50)에 있어서의 치부{치형(51)에 해당}를 깎은 형상을 가진 오목부(58)가 맞물리도록 구성되고, 마찬가지로, 비원형 기어(30)의 오목부(38)와 비원형 기어(50)의 볼록부(59)가, 비원형 기어(30)의 볼록부(49)와 비원형 기어(50)의 오목부(68)가, 비원형 기어(30)의 오목부(48)와 비원형 기어(50)의 볼록부(69)가, 맞물리도록 구 성되어 있다.

한편, 여기서의 맞물림은, 모두 오목부와 볼록부의 중심끼리의 접촉에 의한 것이 아니라, 볼록부(39)와 오목부(58)의 맞물림을 예로 들면, 도 2(B)에 도시한 바와 같이, 비원형 기어(30)의 긴 지름과 비원형 기어(50)의 짧은 지름이 맞을 때에는, 볼록부(39)와 오목부(58)는 접하고 있지 않고, 볼록부(39)에 있어서의 본래의 치형(35)의 맞물림잇면의 정점이 비원형 기어(50)의 제 14 치형(67)의 맞물림잇면과 접하여, 화살 표시의 회전방향으로 회전하고, 계속해서 볼록부(39)에 있어서의 본래의 치형(34)의 맞물림잇면의 정점이 비원형 기어(50)의 제 2 치형(52)의 맞물림잇면과 접하여 회전해 나간다. 따라서, 도 2에 도시한 한 쌍의 비원형 기어(30, 50)는, 한쪽의 기어의 축으로부터의 회전력에 의해서는 다른 쪽의 기어를 1회전 이상 회전시킬 수는 없다. 그러나, 한 쌍의 비원형 기어(30, 50)는, 용적식 유량계와 같이, 피측정 유체에 의한 유동력에 의해서 쌍방의 기어의 바깥쪽에 위치하는 부분을 눌러 놓은 것과 같은 사용형태에서는, 도 2의 화살 표시의 회전방향으로 회전해 나갈 수 있고, 그 전환점은 관성의 관계로 톱(top) 부근{볼록부(39) 등}이 된다.

또한, 그 밖의 치형에 있어서는, 예를 들면, 비원형 기어(30)의 제 6 치형 (36)을 예로 들면, 도 2(A)에 도시한 바와 같이, 치형(36)의 맞물림잇면(36a)이 비원형 기어(50)의 제 13 치형(66)의 맞물림잇면쪽과 접촉하여 맞물리고, 이어서, 볼록부(39)에 있어서의 치형(35)의 맞물림잇면이 비원형 기어(50)의 제 14 치형(67)의 맞물림잇면쪽과 접촉하여 맞물리도록 하여, 화살 표시의 회전방향으로 회전해 나간다.

도 3 내지 도 6은, 도 2의 비원형 기어를 설계할 때에 고려한 점을 설명하는 일련의 구성도이고, 어느 도면이나 비 타원형 기어를 4등분한 것을 도시하고 있으며, 도 6은 도 2의 비원형 기어를 4등분한 것을 도시하고 있다. 도면 중에서, L은 치형곡선, La는 맞물림잇면, Lb는 비맞물림잇면, Lc은 이끝, P는 피치곡선, R은 피치곡선의 중심으로부터의 방사선, T는 치형의 이끝을 연결하는 곡선, B는 치형의 바닥부를 연결한 곡선이고, 기타, 도 6에 있어서는 도 2와 같은 부호를 사용하여 도시하고 있다.

도 3에 있어서의 치형곡선 L은, 피치곡선 P를 타원으로 하여 새겨진 치형 곡선으로서, 잇수를 4n + 2장(여기서는 14장)으로 하고, 맞물림잇면 La를 인벌류트 곡선, 비맞물림 잇면 Lb를 사이클로이드 곡선으로 한 치형 곡선이다. 이 치형곡선 L은, 방사선 R로 구분된 영역(색을 넣어 도시함)에 있어서 오버행부가 넓게 존재한다. 도 3의 치형곡선 L은, 장축상의 양 끝단을 이끝, 단축상의 양 끝단을 이홈으로 한 설계가 되어 있고, 이 설계로는, 절하가 생기지 않는 정도로밖에 공구압력각을 크게 설정할 수 없고, 그 설정에 의거하여 장축방향으로 치형을 기울여도 결국 오버행부를 해소할 수 없다.

수지성형 등에서는, 회전중심방향으로의 수축에 의해 오버행부에는 결함이 생겨 버리기 때문에, 오버행부를 형성시키지 않도록 치형을 2장으로(장축상의 양 끝단을 이홈으로) 하여 설계를 진행시켜 나간다. 즉, 도 4의 치형곡선 L로 도시한 바와 같이, 반대로 장축상의 양 끝단을 이홈, 단축상의 양 끝단을 이끝로 한 설계 로 하고, 더욱이 도 4, 도 5의 치형곡선 L에서 순서대로 도시한 바와 같이, 오버행부를 적게 하도록 각 치형을 장축방향으로 기울여 나간다. 이 때, 맞물림잇면 La는 인벌류트 곡선을 사용하지만, 맞물림압력각의 변화를 적게 하기 위해서, 그 공구압력각을 절하한계까지 또한 맞물림압력각이 음이 되지 않을 정도로 요구하고 있다. 그러나, 도 5의 치형곡선 L에서도 장축으로 최근의 치형으로서는 오버행부가 존재하고 있기 때문에, 마찬가지로 맞물림잇면 La는 인벌류트 곡선을 사용하지만, 맞물림압력각의 변화를 적게 하기 위해서 그 공구압력각을 절하한계 및 선단한계로부터 구하도록 한다. 한편, 맞물림잇면 La의 공구압력각 설정에 유리하도록, 비맞물림잇면 Lb는 사이클로이드 곡선을 사용하고 있다. 여기서, 오버행부의 해소를 위해 제일 기울이는 율이 높은 치형은, 장축 양 끝단에 가까운 치형이기 때문에, 장축상의 양 끝단을 이홈(오목)으로 함으로써, 절하를 막도록 공구압력각을 크게(최대 선단한계까지) 설정할 수 있다.

즉, 도 6의 치형 곡선 L로 도시한 바와 같이, 오버행부를 완전히 없앨 때까지 각 치형을 장축방향으로 기울여 나가고, 단순히 그것만으로는 선단 한계까지 날카롭게 하였기 때문에, 치형의 이끝 Lb{특히 치형(34)의 이끝}가 지나치게 날카롭기 때문에, 이 날카로움을 해소하기 위해서 치형(34)의 이끝과 도 2의 치형(35)의 이끝을 연결하고 있다. 이 이끝을 연결하는 것에 의해 생긴 볼록부(39)의 맞물림을 감안하여, 짧은 지름상의 치형을 깎아, 오목부(38)를 형성하도록 설계하고 있다. 또, 각 치형의 이끝을 연결하는 곡선 T, 및 각 치형의 바닥부를 연결한 곡선은, 피치곡선에 평행한 곡선이 된다.

치형의 선단{볼록부(39)}를 케이싱에 병행인 원호로 이어 하나의 톱니로 하고, 한 쪽의 짧은 지름부의 톱니를 제거한, 상술한 바와 같은 설계는, 치형 모듈을 크게 하여 잇수를 적게 하여 견고하게 할 뿐만 아니라, 선단에 의한 톱(top)부분의 시일상태의 부족을 방지하여 톱(top) 부의 밀봉성을 향상시키는 것도 실현시킨다. 또, 도 4 내지 도 6에서 도시한 바와 같이, 기본 치형 곡선에 있어서의 장축상에 이홈을 가진 설계는, 오버행부 형성의 회피에도 유효하다.

실시형태에 관한 비원형 기어에 의하면, 맞물림압력각의 변화가 적고, 맞물림잇면에 있어서의 공구압력각설정에 유리하고, 오버행부를 형성하는 경우도 없이 잇수를 적게 하는 것이나, 케이싱내에 설치할 때에 케이싱의 내벽과의 밀봉성을 충분히 확보할 수 있고, 또한, 케이싱에 축고정하는 경우라 하더라도, 축받이가 들어가는 영역을 확보할 수 있다. 더욱이, 이 비원형 기어는, 치형 모듈을 전체에 대하여 크게 하고 있기 때문에 견고하고, 적은 잇수로 구성할 수 있기 때문에 수지성형에도 유효하다. 또한, 상술한 바와 같은 비원형 기어를 구비한 용적유량계는, 견고하고 고정밀도인 것을 실현할 수 있고, 또한 비원형 기어가 수지성형의 경우에는 염가인 것을 실현할 수 있다.

도 7은, 본 발명의 다른 실시형태에 관한 비원형 기어의 한 구성예를 도시한 도면으로, 도 2(A), (B)는, 한 쌍의 비원형 기어의 맞물림을 그 회전위치에 따라서 도시한 도면이다. 도면 중에서, 부호 30'은 제 1 비원형 기어이고, 39', 49'는 제 1 비원형 기어에 있어서의 볼록부이고, 50'은 제 2 비원형 기어이고, 59', 69'는 제 2 비원형 기어에 있어서의 볼록부이며, 기타 도 2와 같은 부위에는 같은 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.

도 7에서 예시하는 실시형태의 비원형 기어는, 도 2 내지 도 6에서 예시한 비원형 기어 및 그 기어를 구비한 용적식 유량계(도 1 참조)에 있어서, 볼록부{도 2에 있어서의 볼록부(39, 49, 59, 69)}의 형상을 변형시킨 것으로, 그 변형부분 이외의 설명을 그 효과도 포함시켜 생략한다.

본 실시형태에 관한 비원형 기어(30')(50')는, 볼록부(39', 49')(59', 69')를, 케이싱의 내벽에 맞춘 곡선으로 메운 것으로 하고, 또한 메워진 곡선은, 비원형 기어(50')(30')에 있어서의 치부를 깎아서 생긴 오목부(58, 68)(38, 48)의 바닥과 맞물림시에 접촉시키도록 설계한 것이다. 한편, 이 때, 치형 곡선은 케이싱에 있어서의 비원형 기어의 설치장소 및 내벽의 크기에 의해 결정하고 있다. 또한, 도 7에서는, 예를 들면, 볼록부(39')의 바탕이 되는 치형(34) 및 치형(35)의 맞물림잇면쪽은 원래의 치형을 변형시킨 곡선으로 하여 설계하고 있지만, 볼록부(39')의 바탕이 되는 치형(34) 및 치형(35)의 맞물림잇면쪽은 그대로 치형을 남기도록 설계하여도 좋다. 본 실시형태에 관한 비원형 기어에 의하면, 도 1 내지 도 6에서 설명한 실시형태에 비교해서, 용적식 유량계에 설치한 경우에, 맞물림압력각의 관계로부터 닫혀 들어가는 현상이 완화되는 것에 의해, 압력손실을 경감할 수가 있어, 톱(top)부의 밀봉성 향상에 맞추어 측정정밀도가 높아진다.

본 발명에 의하면, 비원형 기어에 있어서, 맞물림압력각의 변화를 적게 하고, 맞물림 잇면에 있어서의 공구압력각 설정에 유리하며, 오버행부를 형성하는 경 우도 없이 잇수를 적게 하여, 케이싱내에 설치할 때에 케이싱의 내벽과의 밀봉성을 충분히 확보할 수가 있다.

Claims

케이싱내에 한 쌍으로 설치되어야 하는 비원형 기어로서, 상기 비원형 기어는, 잇수를 4n + 2장(n은 자연수), 장축상의 양 끝단을 이홈, 단축상의 양 끝단을 이끝, 맞물림 잇면을 인벌류트 곡선, 비맞물림 잇면을 사이클로이드 곡선으로 한 치형곡선을 가지며,

이 치형곡선에 있어서의 각 치형의 인벌류트 곡선의 공구압력각은, 절하한계 및 선단한계에 의해 설정되고,

이 비원형 기어는, 상기 치형곡선에 기초하여, 상기 장축상의 양 끝단에 있는 이홈을 포함한, 상기 이홈을 끼운 2개의 치형 사이의 오목부를 메우고, 또한 상기 단축상의 양 끝단의 이끝을 포함한 치부를 깎은, 잇수가 4n - 2장인 형상을 가진 것을 특징으로 하는 비원형 기어.
제 1 항에 있어서, 상기 비원형 기어는, 상기 오목부를 채운 형상을 가진 볼록부와, 상기 비원형 기어와 같은 비원형 기어에 있어서의 상기 치부를 깎은 형상을 가진 오목부를, 맞물리도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 비원형 기어.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 치형곡선은 상기 케이싱에 있어서의 상기 비원형 기어의 설치장소 및 내벽의 크기에 의해 결정하며, 상기 형상은, 상기 오목부를 상기 케이싱의 내벽에 맞춘 원호로 메운 것을 특징으로 하는 비원형 기 어.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 치형 곡선은 상기 케이싱에 있어서의 상기 비원형 기어의 설치장소 및 내벽의 크기에 의해 결정하며, 상기 형상은, 상기 오목부를 상기 케이싱의 내벽에 맞춘 곡선으로 메운 것이고, 이 메운 곡선은, 상기 비원형 기어와 같은 비원형 기어에 있어서의 상기 톱니부를 깎아서 생긴 오목부의 바닥과 맞물릴 때에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 비원형 기어.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 치형 곡선은, 잇수가 14 또는 18인 것으로 하여, 결과적으로 각각, 잇수가 10 또는 14가 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 비원형 기어.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 비원형 기어의 피치곡선은, 구름접촉조건을 만족하는 단일의 폐곡선 혹은 여러 종류를 조합한 폐곡선인 것을 특징으로 하는 비원형 기어.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 비원형 기어는 수지로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비원형 기어.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 케이싱은, 용적식 유량계에 있어서의 계량실인 것을 특징으로 하는 비원형 기어.
제 8 항에 기재된 비원형 기어를 한 쌍 구비한 용적식 유량계로서, 상기 한 쌍의 비원형 기어를 상기 계량실내에 한 쌍의 회전자로서 맞물리게 하여 설치하고, 이 한 쌍의 회전자가 토출하는 피측정 유체의 유량을 측정하는 것을 특징으로 하는 용적식 유량계.