KR101746070B1 - 진동 발전을 행하는 파동 기어 장치 - Google Patents

진동 발전을 행하는 파동 기어 장치 Download PDF

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Abstract

파동 기어 장치(1)는, 강성 내치 기어(2)와, 그 내측에 동축상(同軸狀)으로 배치된 반경방향으로 휨 가능한 가요성(可撓性) 외치 기어(3)와, 그 내측에 동축상으로 배치된 파동 발생기(4)를 가지고 있다. 파동 발생기(4)에 의해, 가요성 외치 기어(3)는 반경방향으로 휘어져서 강성(剛性) 내치 기어(2)에 대해 부분적으로 서로 맞물려 있으며, 파동 발생기(4)의 회전에 수반하여 강성 내치 기어(2)와 가요성 외치 기어(3)의 맞물림 위치가 원주(圓周)방향으로 이동하면, 상기 양 기어(2, 3)의 사이에는, 상기 양 기어(2, 3)의 톱니 수(齒數)의 차(差)에 따른 상대 회전이 발생한다. 가요성 외치 기어(3)에는 진동 발전부(5)가 배치되어 있다. 진동 발전부(5)는, 파동 발생기(4)의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 가요성 외치 기어(3)의 원통부(31)의 휨 동작에 의해 변위하여 발전을 행하는 압전 소자(7)를 구비하고 있다.

Description

진동 발전을 행하는 파동 기어 장치{VIBRATION POWER-GENERATING STRAIN WAVE GEARING}
본 발명은, 감속 동작을 위해 반복적으로 휘어지는 가요성 외치(外齒) 기어의 휨 동작을 이용하여 진동 발전(發電)을 행하는 파동 기어 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 파동 기어 장치는, 둥근 고리(圓環) 형상의 강성 내치 기어와, 그 내측에 동축상(同軸狀)으로 배치된 가요성 외치 기어와, 그 내측에 끼워진 파동 발생기를 가지고 있다. 가요성 외치 기어에는, 플랫(flat)형, 컵(cup)형 및 실크 해트(silk hat)형으로 불리는 것이 있다. 플랫형의 가요성 외치 기어는, 가요성의 원통부에 있어서의 원형 외주면에 외치가 형성된 구성으로 되어 있다. 컵형 및 실크 해트형의 가요성 외치 기어는, 가요성의 원통부와, 상기 원통부의 후단으로부터 반경방향으로 연장되어 있는 원반(圓盤) 형상의 다이어프램과, 원통부의 전단(前端) 개구측의 외주면 부분에 형성된 외치를 구비하고 있다. 가요성 외치 기어의 원통부의 전단 개구측의 부분은 파동 발생기에 의해 비(非) 원 형상, 일반적으로는 타원 형상으로 휘어지며, 상기 타원 형상 곡선의 장축(長軸)방향의 양단부에 있어서 외치가 강성 내치 기어의 내치(內齒)에 서로 맞물려 있다.
컵 형상의 가요성 외치 기어에서는, 원통부로부터 반경방향의 내측으로 다이어프램이 연장되어 있으며, 다이어프램의 내주연(內周緣)에 보스(boss)가 일체로 형성되어 있다. 실크 해트 형상의 가요성 외치 기어에서는, 원통부로부터 반경방향의 외측으로 다이어프램이 확대되어 있으며, 다이어프램의 외주연(外周緣)에 둥근 고리 형상의 보스가 일체로 형성되어 있다.
어떤 형상의 가요성 외치 기어에 있어서도, 외치가 형성되어 있는 원통부가 파동 발생기에 의해 반복적으로 반경방향으로 휘어진다. 또한, 컵 형상 혹은 실크 해트 형상의 가요성 외치 기어에서는, 그 원통부에 있어서의 외치가 형성되어 있는 전단 개구측의 부분이 파동 발생기에 의해 타원 형상으로 휘어진다. 이 때문에, 가요성 외치 기어의 원통부는, 타원 형상으로 휘어진 상태에 있어서 그 타원 형상 곡선의 장축을 포함하는 단면(斷面)으로 절단한 경우에, 외치의 잇줄(齒筋, tooth trace)방향을 따라, 다이어프램의 측의 단부로부터 전단 개구를 향해 휨량이 점차 증가되어 있다. 타원 형상 곡선의 단축(短軸)을 포함하는 단면으로 절단한 경우에는, 반대로, 다이어프램 측의 단부로부터 전단 개구를 향해 휨량이 점차 감소되어 있다. 따라서, 파동 발생기의 회전에 수반하여, 가요성 외치 기어의 각 부분에는, 다이어프램 측의 단부를 중심으로 하여 전단 개구 측이 반복적으로 반경방향의 외측 및 내측으로 휘어지는 코닝(coning)이라 불리는 휨 동작이 발생한다.
가요성 외치 기어를 타원 형상으로 휘게 하기 위한 파동 발생기로서는, 일반적으로, 타원 형상의 윤곽을 한 강체(剛體)로 이루어진 캠 판을, 볼 베어링을 통해 가요성 외치 기어의 원통부의 전단 개구 측으로 끼워 넣은 구조의 것이 이용되고 있다. 볼 베어링은, 그 외륜 및 내륜이 반경방향으로 휠 수 있으며, 웨이브 베어링이라 불리고 있다. 타원 형상의 윤곽을 가지는 캠 판을 이용하는 대신에, 압전 소자를 이용하여 가요성 외치 기어를 타원 형상으로 휘게 하도록 구성된 파동 발생기도 알려져 있다. 이러한 형식의 파동 발생기를 구비한 파동 기어 장치는 특허문헌 1 및 2에 개시되어 있다.
한편, 파동 기어 장치와 동일한 원리에 의해 감속 동작을 행하는 마찰 걸림결합식 파동 장치도 알려져 있으며, 특허문헌 2에 기재되어 있다. 이러한 마찰 걸림결합식 파동 장치에 있어서도, 그 가요성 링은 파동 발생기에 의해 반경방향으로 휘어지며, 파동 발생기의 회전에 수반하여 가요성 링의 각부(各部)는 반복적으로 반경방향으로 휘어진다.
일본국 특허공개공보 H02-261944호 일본국 특허공개공보 제2007-71242호
이와 같이, 파동 기어 장치의 가요성 외치 기어 및 마찰 걸림결합식 파동 장치의 가요성 링은, 파동 발생기에 의해 각 부분이 반복적으로 반경방향으로 휘어진다. 본 발명은, 가요성 외치 기어, 가요성 링의 휨 동작에 착안하여 이루어진 것으로서, 그 과제는, 가요성 외치 기어, 가요성 링의 휨 동작을 이용하여 발전을 행할 수 있는 파동 기어 장치 및 마찰 걸림결합식 파동 장치를 제안하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 둥근 고리 형상의 강성 내치 기어와, 상기 강성 내치 기어의 내측에 동축(同軸) 상으로 배치된 반경방향으로 휨 가능한 가요성 외치 기어와, 상기 가요성 외치 기어의 내측에 동축상으로 배치된 파동 발생기를 가지며, 상기 파동 발생기에 의해, 상기 가요성 외치 기어는 반경방향으로 휘어져서 상기 강성 내치 기어에 대해 부분적으로 서로 맞물려 있어, 상기 파동 발생기의 회전에 수반하여 상기 강성 내치 기어와 상기 가요성 외치 기어의 맞물림 위치가 원주방향으로 이동하면, 이러한 양 기어의 사이에는, 상기 양 기어의 톱니 수(齒數)의 차에 따른 상대 회전이 발생하는 파동 기어 장치에 있어서,
상기 가요성 외치 기어에는 진동 발전부가 배치되어 있고,
상기 진동 발전부는, 상기 파동 발생기의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 상기 가요성 외치 기어의 휨 동작에 의해 발전을 행하는 것을 특징으로 하고 있다.
여기서, 진동 발전부로서는, 압전 효과를 이용한 압전 소자, 정전 용량 변화를 이용한 소자, 또는, 전자 유도를 이용한 소자를 이용할 수 있다. 어느 소자를 이용하는 경우에 있어서도, 파동 발생기의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 가요성 외치 기어의 휨 동작에 의해, 소자에 휨 변화, 정전 용량 변화 혹은 자력 변화가 반복적으로 발생하여 발전이 행해진다.
또한, 가요성 외치 기어가 플랫 형상인 경우에는, 예컨대, 그 원통부에 있어서의 외치가 형성된 부분의 일방의 단부 혹은 양단을 축선방향으로 연장시키고, 연장시킨 부분에 압전 소자 등의 발전용 소자를 부착시켜서, 원통부의 휨 동작에 수반하여 반복적으로 변형(歪, strain) 등이 변동되도록 하면 된다. 컵 형상 및 실크 해트 형상의 가요성 외치 기어의 경우에는, 압전 소자 등의 발전용 소자를, 가요성 외치 기어에 있어서의 원통부 및 다이어프램 중 적어도 일방의 부위에 부착시켜 두면 된다. 압전 소자를 이용할 경우에는, 작업성 등을 고려했을 때, 가요성 외치 기어의 원통부의 외주면에 부착시켜 두는 것이 바람직하다. 또한, 발전량을 많게 하기 위해서는, 발전용 소자를, 원통부의 한 군데가 아니라, 상기 원통부의 전체에 부착시켜 두는 것이 바람직하다.
또한, 발전용 소자로부터는 배선이 인출(引出)되므로, 발전용 소자를 부착시킨 가요성 외치 기어를 회전하지 않도록 지지하고, 강성 내치 기어를 회전가능한 상태로 지지하여, 상기 강성 내치 기어로부터 감속 회전 출력을 취출(取出)하는 것이 바람직하다.
더욱이, 파동 기어 장치의 사용 형태로서, 파동 발생기가 일정한 연속 회전 속도로 회전 구동되는 시간이 짧으며, 안정적인 발전이 곤란한 경우가 많다. 또한, 가요성 외치 기어의 휨 동작에 있어서의 휨 변동의 주파수가 낮으며, 발전용 소자에 의한 발전 효율이 낮은 경우가 있다. 따라서, 진동 발전부에 의한 발전 전력을 축전(蓄電)하는 축전부를 배치하여, 전력을 축전함으로써, 상기 축전부로부터 안정된 전력을 외부로 출력할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명은 마찰 걸림결합식 파동 장치에도 마찬가지로 적용이 가능하다. 즉, 본 발명은, 원형 내주면이 마찰 걸림결합면으로 되어 있는 강성 링과, 상기 강성 링의 내측에 동축상으로 배치되고, 원형 외주면이 마찰 걸림결합면으로 되어 있는 가요성 링과, 상기 가요성 링의 내측에 동축상으로 배치된 파동 발생기를 가지며, 상기 파동 발생기에 의해, 상기 가요성 링은 반경방향으로 휘어져서 상기 강성 링에 부분적으로 마찰 걸림결합되어 있고, 상기 파동 발생기의 회전에 수반하여 양(兩) 링의 마찰 걸림결합 위치가 원주방향으로 이동하면, 양 링의 사이에, 양 링의 상기 마찰 걸림결합면의 둘레 길이의 차(差)에 따른 상대 회전이 발생하는 마찰 걸림결합식 파동 장치에 있어서,
상기 가요성 링에는 진동 발전부가 배치되어 있고,
상기 진동 발전부는, 상기 파동 발생기의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 상기 가요성 링의 휨 동작에 의해 발전을 행하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 경우에 있어서도, 진동 발전부로서는, 압전 효과를 이용한 압전 소자, 정전 용량 변화를 이용한 소자, 또는, 전자 유도를 이용한 소자를 이용할 수 있다. 어느 소자를 이용하는 경우에 있어서도, 파동 발생기의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 가요성 링의 휨 동작에 의해 소자의 변형, 정전 용량, 자력(磁力)이 반복적으로 변동하여 발전이 행해진다.
또한, 가요성 링이 플랫형인 경우에는, 예컨대, 그 원통부에 있어서의 마찰 걸림결합면이 형성된 부분의 일방의 단부 혹은 양단을 축선방향으로 연장시키고, 연장시킨 부분에 압전 소자 등의 발전용 소자를 부착시켜, 원통부의 휨 동작에 수반하여 반복적으로 변형 등이 변동되도록 하면 된다. 컵형 및 실크 해트형의 가요성 링인 경우에는, 압전 소자 등의 발전용 소자를, 가요성 링에 있어서의 원통부 및 다이어프램 중 적어도 일방의 부위에 부착시켜 두면 된다. 압전 소자를 이용하는 경우에는, 작업성 등을 고려할 때, 가요성 링에 있어서의 마찰 걸림결합면 이외의 원통부의 외주면 부분에 붙여 두는 것이 바람직하다. 또한, 발전량을 많게 하기 위해서는, 발전용 소자를, 원통부의 한 군데가 아니라, 상기 원통부 전체에 부착시켜 두는 것이 바람직하다.
또한, 발전용 소자로부터는 배선이 인출되므로, 발전용 소자를 부착시킨 가요성 링을 회전하지 않도록 지지하고, 강성 링을 회전가능한 상태로 지지하여, 상기 강성 링으로부터 감속 회전 출력을 취출하는 것이 바람직하다.
또한, 파동 장치의 사용 방법으로서, 파동 발생기가 일정한 연속 회전 속도로 회전 구동되는 시간이 짧으며, 안정적인 발전이 곤란한 경우가 있다. 또한, 가요성 링의 휨 동작에 있어서의 휨의 주파수가 낮으며, 발전용 소자에 의한 발전 효율이 낮은 경우가 있다. 진동 발전부에 의한 발전 전력을 축전하는 축전부를 배치하여, 전력을 축전함으로써, 상기 축전부로부터 안정된 전력을 외부로 출력할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 파동 기어 장치에서는, 그 가요성 외치 기어의 원통부의 휨 동작을 이용하여 발전을 행하는 압전 소자 등의 발전용 소자를 구비한 진동 발전부가 구비되어 있다. 따라서, 매우 간단한 구성에 의해 발전 기능을 구비한 파동 기어 장치를 저렴한 가격으로 실현할 수 있다. 마찬가지로, 매우 간단한 구성에 의해 발전 기능을 구비한 마찰 걸림결합식 파동 장치를 저렴한 가격으로 실현할 수 있다.
도 1은, 본 발명을 적용한 컵 타입의 파동 기어 장치의 구성도 및 정면도이다.
도 2는, 도 1의 파동 기어 장치의 가요성 외치 기어의 휨 상황을 나타내기 위한 설명도로서, (a)는 변형 전의 가요성 외치 기어의 종단면(縱斷面)의 상태를 나타낸 것이고, (b)는 타원 형상으로 변형된 가요성 외치 기어의 장축을 포함하는 위치에 있어서의 종단면의 상태를 나타낸 것이고, (c)는 타원 형상으로 변형된 가요성 외치 기어의 단축을 포함하는 위치에 있어서의 종단면의 상태를 나타낸 것이고, (d)는 압전 소자의 부착 위치에 있어서의 가요성 외치 기어의 휨 상태를 과장하여 나타낸 설명도이다.
도 3은, 컵 형상의 가요성 외치 기어에 있어서의 압전 소자의 부착 위치를 나타낸 설명도이다.
도 4는, 본 발명을 적용한 실크 해트형의 파동 기어 장치를 나타낸 구성도이다.
도 5는, 본 발명을 적용한 플랫형의 마찰 걸림결합식 파동 장치를 나타낸 구성도 및 정면도이다.
(실시형태 1)
도 1(a)는 본 발명을 적용한 실시형태 1에 따른 컵 타입의 파동 기어 장치를 나타낸 개략적인 구성도이고, 도 1(b)는 그 개략적인 정면도이다. 이들 도면에 나타낸 바와 같이, 파동 기어 장치(1)는, 둥근 고리 형상의 강성 내치 기어(2)와, 그 내측에 배치된 가요성 외치 기어(3)와, 그 내측에 끼워져 들어간 타원 형상의 윤곽을 가지는 파동 발생기(4)를 가지고 있다. 강성 내치 기어(2)와 가요성 외치 기어(3)는 모두 모듈 m인 평기어이다. 또한, 양 기어의 톱니 수의 차는 2n(n은 양의 정수), 본 예에서는 2매(n=1)이며, 강성 내치 기어(2) 쪽이 많다. 가요성 외치 기어(3)는 타원 형상의 윤곽을 가지는 파동 발생기(4)에 의해 타원 형상으로 휘어지며, 그 외치(34)가 타원 형상의 장축(L1)방향의 양단 부분에 있어서 강성 내치 기어(2)의 내치(24)에 서로 맞물려 있다.
파동 발생기(4)를 회전시키면, 양 기어(2, 3)의 맞물림 위치가 둘레방향으로 이동하여, 양 기어의 톱니 수의 차에 따른 상대 회전이 양 기어(2, 3) 사이에 발생한다. 본 예에서는, 파동 발생기(4)가 모터(미도시)에 연결고정되고, 가요성 외치 기어(3)가 고정측 부재(미도시)에 고정되어 회전하지 않도록 지지되어 있으며, 강성 내치 기어(2)가 부하측 부재(미도시)에 고정되어 있다. 파동 발생기(4)로부터 입력되는 고속 입력 회전이, 강성 내치 기어(2)로부터 감속 회전 출력으로서 취출되어, 부하측 부재(미도시)에 전달된다.
가요성 외치 기어(3)는 컵 형상이며, 가요성의 원통부(31)와, 그 후단(31b)에 연속하여 반경방향의 내측으로 확대되는 원반 형상의 다이어프램(32)과, 다이어프램(32)의 내주연에 연속되어 있는 둥근 고리 형상의 보스(33)와, 원통부(31)의 전단 개구(31a)측의 외주면 부분에 형성된 외치(34)를 구비하고 있다. 타원 형상의 윤곽을 가지는 파동 발생기(4)는, 가요성 외치 기어(3)의 원통부(31)에 있어서의 전단 개구(31a)측의 외치 형성 부분의 내측에 끼워져 들어가 있다. 파동 발생기(4)에 의해 타원 형상으로 휘어져 있는 원통부(31)는, 상기 다이어프램측의 후단(31b)으로부터 전단 개구(31a)를 향해, 반경방향의 외측 혹은 내측으로의 휨량이 점차 증가되어 있다.
가요성 외치 기어(3)에는 진동 발전부(5)가 배치되어 있으며, 진동 발전부(5)에는, 상기 진동 발전부에서 발생하는 전력을 축전하기 위한 축전부(6)가 접속되어 있다. 축전부(6)로부터 전력 공급이 가능하도록 되어 있다. 진동 발전부(5)는, 파동 발생기(4)의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 가요성 외치 기어(3)의 휨 동작에 의해 변위하여 발전을 행하는 압전 소자(7)를 구비하고 있다. 압전 소자(7)는, 가요성 외치 기어(3)의 원통부(31)에 있어서의 외치(34)에 대해 다이어프램(32) 측에 인접한 외주면 부분에, 해당 외주면 부분과 일체가 되어 변위하도록 부착되어 있다. 예컨대, 해당 외주면 부분에 있어서 원주방향으로 복수의 압전 소자(7)가 부착되어 있다.
도 2는 파동 기어 장치(1)의 가요성 외치 기어(3)의 휨 상황을 나타내기 위한 설명도이다. 도 2(a)는 변형 전의 가요성 외치 기어(3)의 종단면 상태를 나타낸 것이고, 도 2(b)는 타원 형상으로 변형된 가요성 외치 기어(3)의 장축을 포함하는 위치에 있어서의 종단면 상태를 나타낸 것이고, 도 2(c)는 타원 형상으로 변형된 가요성 외치 기어(3)의 단축을 포함하는 위치에 있어서의 종단면 상태를 나타낸 것이고, 도 2(d)는 압전 소자의 부착 위치에 있어서의 가요성 외치 기어(3)의 휨 상태를 과장하여 나타낸 설명도이다. 참고로, 도 2(a)∼(c)의 실선(實線)은 컵 형상의 가요성 외치 기어(3)를 나타낸 것이고, 파선(破線)은 후술하는 도 4에 도시된 실크 해트 형상의 가요성 외치 기어의 경우를 나타낸 것이다.
원통부(31)에 있어서의 타원 형상 곡선의 장축(L1)을 포함하는 단면 위치에서는, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 외측으로의 휨량이 후단(31b)으로부터 전단 개구(31a)까지의 거리에 대략 비례하여 점차 증가되며, 타원 형상 곡선의 단축(L2)을 포함하는 단면 위치에서는, 도 2(c)에 나타낸 바와 같이, 내측으로의 휨량이, 후단(31b)으로부터 전단 개구(31a)까지의 거리에 대략 비례하여 점차 증가되어 있다.
따라서, 원통부(31)의 전단 개구(31a)측의 외주면 부분에 형성되어 있는 외치(34)도, 그 잇줄방향에 있어서의 각 축직각 단면에 있어서 휨량이 변화되어 있다. 즉, 외치(34)의 잇줄방향에 있어서의 다이어프램측의 후단(34b)으로부터 전단 개구(31a)측의 전단(34a)을 향해, 타원 형상 곡선의 장축(L1)을 포함하는 단면 내에서, 후단(31b)으로부터의 거리에 대략 비례하여 휨량이 점차 증가되어 있다.
여기서, 외치(34)의 잇줄방향에 있어서의 임의의 위치의 축직각 단면에 있어서, 타원 형상으로 휘어지기 전의 상기 외치(34)의 치저(齒底) 림(tooth bottom rim)의 두께방향의 중앙을 지나는 원을 림 중립원(中立圓)이라 부르고, 타원 형상으로 휘어진 후의 치저 림(tooth bottom rim)의 두께방향의 중앙을 지나는 곡선을 타원 형상 림 중립선(中立線)이라 부르기로 하면, 타원 형상 림 중립선의 장축 위치에 있어서의 림 중립원에 대한 장축방향의 휨량은, κ를 휨 계수로 하여, 2κmn이다.
즉, 가요성 외치 기어(3)의 외치(34)의 톱니 수를 ZF, 강성 내치 기어(2)의 내치(24)의 톱니 수를 ZC, 파동 기어 장치(1)의 감속비를 R(=ZF/(ZC－ZF)=ZF/2n)로 하고, 가요성 외치 기어(3)의 피치 원 직경(mZF)을 감속비(R)로 나눈 값(mZF/R=2mn)을 장축방향의 정규의 휨량(wO)으로 한다. 파동 기어 장치(1)는, 일반적으로, 그 가요성 외치 기어(3)의 잇줄방향에 있어서의 파동 발생기(4)의 웨이브 베어링의 볼 중심의 위치에 있어서, 정규의 휨량(=2mn)으로 휘도록 설계된다. 휨 계수(κ)는, 가요성 외치 기어(3)의 잇줄방향의 각 축직각 단면에 있어서의 휨량(w)을 정규의 휨량으로 나눈 값을 나타낸다. 따라서, 외치(34)에 있어서, 정규의 휨량이 얻어지는 위치의 휨 계수는 κ=1이며, 이보다 적은 휨량(w)의 단면 위치의 휨 계수는 κ＜1이 되고, 이보다 많은 휨량(w)의 단면 위치의 휨 계수는 κ＞1이 된다.
도 2(d)에 나타낸 바와 같이, 압전 소자(7)가 부착되어 있는 가요성 외치 기어(3)의 외주면 부분도, 파동 발생기(4)의 회전에 수반하여 반경방향으로 반복하여 휘어진다. 따라서, 각 압전 소자(7)도 원통부(31)의 휨 동작에 수반하여 반경방향으로 반복하여 휘어지므로, 그 압전 효과에 의해 발전을 행한다. 예컨대, 1매의 압전 소자(7)에 주목하자면, 가장 만곡량이 많은 7A의 상태로부터 가장 만곡량이 적은 7B의 상태 사이에서 반복적으로 휘어지며, 이에 수반하여 발전을 행한다. 압전 소자(7)의 발전 전류는 예컨대 인버터(8)를 통해 직류 전류로 변환된 후에 축전부(6)에 공급되며, 여기에 축전된다(도 1 참조).
축전된 전력은, 파동 발생기(4)를 회전구동시키기 위한 모터의 구동용 전력의 일부로서 이용가능하며, 비상용 전원으로서 이용할 수도 있다. 혹은, 파동 기어 장치(1)에 각종 센서가 탑재되어 있는 경우에는, 이들 센서의 구동용 전원으로서 이용할 수 있다. 또한, 파동 발생기를 수동 조작에 의해 회전 구동할 수 있도록 해 두면, 비상시 등에 있어서의 수동 발전 장치로서 파동 기어 장치(1)를 이용하는 것도 가능하다.
참고로, 가요성 외치 기어(3)에 있어서의 압전 소자(7)의 부착 위치는 본 예와는 상이한 위치로 하는 것도 가능하다. 예컨대, 도 3에 나타낸 바와 같이, 원통부(31)로부터 다이어프램(32)에 걸친 외주면 부분(7(1)), 다이어프램(32)의 표면 부분(7(2))에 압전 소자(7)를 부착시키는 것이 가능하다. 혹은, 원통부(31)의 전단을 외치(34)보다 전방으로 연장시키고, 상기 연장 부분의 원형 외주면 혹은 원형 내주면을 압전 소자(7)의 부착 부분(7(3))으로 할 수도 있다. 또한, 원통부(31)의 원형 내주면, 다이어프램(32)의 내측 표면에 압전 소자(7)를 부착시키는 것도 가능하다.
(실시형태 2)
도 4는, 본 발명을 적용한 실시형태 2에 따른 실크 해트 타입의 파동 기어 장치를 나타낸 개략적인 구성도이다. 실크 해트 타입의 파동 기어 장치(100)의 기본 구성은 컵 타입의 파동 기어 장치(1)와 동일하며, 강성 내치 기어(102)와, 가요성 외치 기어(103)와, 파동 발생기(104)를 구비하고 있다. 가요성 외치 기어(103)는 실크 해트 형상이며, 가요성의 원통부(131)와, 그 후단(131b)에 연속하여 반경방향의 외측으로 확대되는 원반 형상의 다이어프램(132)과, 다이어프램(132)의 외주연에 연속되어 있는 둥근 고리 형상의 보스(133)와, 원통부(131)의 전단 개구(131a) 측의 외주면 부분에 형성된 외치(134)를 구비하고 있다. 외치(134)는 강성 내치 기어(102)의 내치(124)로 휘어질 수 있다. 타원 형상의 윤곽을 가지는 파동 발생기(104)는, 가요성 외치 기어(103)의 원통부(131)에 있어서의 전단 개구(131a) 측의 외치 형성 부분의 내측에 끼워져 들어가 있다. 파동 발생기(104)에 의해 타원 형상으로 휘어져 있는 원통부(131)는, 그 다이어프램측의 후단(131b)으로부터 전단 개구(131a)를 향해, 반경방향의 외측 혹은 내측으로의 휨량이 점차 증가되어 있다.
가요성 외치 기어(103)에는 진동 발전부(105)가 배치되어 있으며, 진동 발전부(105)에는, 상기 진동 발전부에서 발생되는 전력을 축전하기 위한 축전부(106)가 접속되어 있으며, 상기 축전부(106)로부터 전력을 공급할 수 있도록 되어 있다. 진동 발전부(105)는, 파동 발생기(104)의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 가요성 외치 기어(103)의 휨 동작에 의해 변위하여 발전을 행하는 압전 소자(107)를 구비하고 있다. 압전 소자(107)는, 가요성 외치 기어(103)의 원통부(131)에 있어서의 외치(134)에 대해 다이어프램(132)측에 인접한 외주면 부분에, 상기 외주면 부분과 일체가 되어 변위하도록, 부착되어 있다. 예컨대, 상기 외주면 부분에 있어서 원주방향으로 복수의 압전 소자(107)가 부착되어 있다. 압전 소자(107)의 발전 전류는 진동 발전부(105)의 인버터(108)에 있어서 직류 전류로 변환된 후에 축전부(106)로 공급되며, 여기에 축전된다.
참고로, 가요성 외치 기어(103)에 있어서의 압전 소자(107)의 부착 위치는, 예컨대, 도 4에 있어서 상상선(想像線)으로 나타낸 바와 같이, 원통부(131)로부터 다이어프램(132)에 걸친 외주면 부분(107(1)), 다이어프램(132)의 표면 부분(107(2))으로 할 수 있다. 혹은, 원통부(131)의 전단을 외치(134)보다 전방으로 연장시키고, 상기 연장 부분의 원형 외주면 혹은 원형 내주면을 압전 소자(107)의 부착 부분(107(3))으로 할 수도 있다. 또한, 원통부(131)의 원형 내주면, 다이어프램(132)의 내측 표면에 압전 소자(107)를 부착시키는 것도 가능하다.
(실시형태 3)
도 5(a)는 본 발명을 적용한 실시형태 3에 따른 플랫 타입의 마찰 걸림결합식 파동 장치의 개략적인 구성도이고, 도 5(b)는 그 개략적인 정면도이다. 마찰 걸림결합식 파동 장치(200)는, 둥근 고리 형상의 제 1 및 제 2 강성 링(201, 202)과, 상기 제 1 및 제 2 강성 링(201, 202)의 내측에 동축 상태로 배치된 가요성 링(203)과, 가요성 링(203)의 내측에 끼워진 타원 형상의 윤곽을 가지는 파동 발생기(204)를 구비하고 있다. 제 1 및 제 2 강성 링(201, 202)의 원형 내주면은 각각 제 1 및 제2 마찰 걸림결합면(224, 225)으로 되어 있으며, 가요성 링(203)의 원형 외주면에도 마찰 걸림결합면(234)이 형성되어 있다.
파동 발생기(204)는 가요성 링(203)을 타원 형상으로 휘도록 하고 있으며, 이에 따라, 상기 가요성 링(203)의 마찰 걸림결합면(234)이 제 1 및 제 2 강성 링(201, 202)의 제 1 및 제 2 마찰 걸림결합면(224, 225)에 대해 원주방향에 있어서 부분적으로 마찰 걸림결합되어 있다. 파동 발생기(204)를 회전시키면, 이러한 마찰 걸림결합 위치가 원주방향으로 이동한다.
여기서, 제 1 강성 링(201)의 제 1 마찰 걸림결합면(224)의 둘레 길이는 가요성 링(203)의 마찰 걸림결합면(234)의 둘레 길이보다 길기 때문에, 파동 발생기(204)의 회전에 수반하여, 제 1 강성 링(201)과 가요성 링(203)의 사이에는 둘레 길이의 차에 따른 상대 회전이 발생한다. 이에 반해, 제 2 강성 링(202)의 제 2 마찰 걸림결합면(225)의 둘레 길이는 가요성 링(203)의 마찰 걸림결합면(234)의 둘레 길이와 동일하므로, 이러한 제 2 강성 링(202)과 가요성 링(203)의 사이에는 상대 회전이 발생하지 않고 항상 일체가 되어 회전한다.
본 예에서는, 제 2 강성 링(202)이 고정측 부재(미도시)에 고정되어 회전하지 않도록 지지되어 있고, 제 1 강성 링(201)이 부하측 부재(미도시)에 연결되어 있다. 따라서, 파동 발생기(204)가 모터 등에 의해 고속회전하면, 제 1 강성 링(201)측으로부터 감속 회전 출력이 취출되어 부하측 부재로 전달된다.
여기서, 가요성 링(203)에는 진동 발전부(205)가 배치되어 있고, 진동 발전부(205)에는, 상기 진동 발전부(205)에서 발생되는 전력을 축전하기 위한 축전부(206)가 접속되어 있어, 축전부(206)로부터 전력을 공급할 수 있도록 되어 있다. 진동 발전부(205)는, 파동 발생기(204)의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 가요성 링(203)의 휨 동작에 의해 변위하여 발전을 행하는 압전 소자(207)와, 여기서 발생된 발전 전류를 직류로 변환하여 축전부(206)에 공급하기 위한 인버터(208)를 구비하고 있다.
본 예에서는, 가요성 링(203)은, 가요성의 원통부(231)와, 그 외주면에 형성되어 있는 마찰 걸림결합면(234)과, 원통부(231)에 있어서의 제 2 강성 링(202) 측의 단부로부터 외측방향으로 연장(돌출)되어 있는 원통 부분(232)이 구비되어 있으며, 상기 원통 부분(232)의 외주면에는, 상기 원통 부분(232)과 일체가 되어 변위하도록, 복수의 압전 소자(207)가 부착되어 있다. 참고로, 압전 소자(207)를 원통 부분(232)의 내주면에 부착시키는 것도 가능하다.
(기타의 실시형태)
참고로, 상기의 예는, 본 발명을 컵 타입 및 실크 해트 타입의 파동 기어 장치에 적용시킨 예이지만, 본 발명을 플랫 타입의 파동 기어 장치에 대해서도 동일하게 적용시킬 수 있다.
또한, 상기의 예는 본 발명을 플랫 타입의 마찰 걸림결합식 파동 장치에 적용시킨 예이지만, 본 발명을 컵 타입이나, 실크 해트 타입의 마찰 걸림결합식 파동 장치에 대해서도 동일하게 적용시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 둥근 고리 형상의 강성 내치 기어와, 상기 강성 내치 기어의 내측에 동축상(同軸狀)으로 배치된 반경방향으로 휨 가능한 가요성 외치 기어와, 상기 가요성 외치 기어의 내측에 동축상으로 배치된 파동 발생기를 가지며, 상기 파동 발생기에 의해, 상기 가요성 외치 기어는 반경방향으로 휘어져서 상기 강성 내치 기어에 대해 부분적으로 서로 맞물려 있어, 상기 파동 발생기의 회전에 수반하여 상기 강성 내치 기어와 상기 가요성 외치 기어의 맞물림 위치가 원주(圓周)방향으로 이동하면, 상기 양(兩) 기어의 사이에는, 상기 양 기어의 톱니 수의 차(差)에 따른 상대 회전이 발생하는 파동 기어 장치로서,
    상기 가요성 외치 기어에는 진동 발전부가 배치되어 있고,
    상기 진동 발전부는, 상기 파동 발생기의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 상기 가요성 외치 기어의 휨 동작에 의해 발전을 행하는 것을 특징으로 하는 파동 기어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진동 발전부는, 상기 파동 발생기의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 상기 가요성 외치 기어의 휨 동작에 의해 변위하여 발전을 행하는 압전 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파동 기어 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 가요성 외치 기어는, 가요성의 원통부와, 상기 원통부의 후단으로부터 반경방향으로 연장되어 있는 원반(圓盤) 형상의 다이어프램과, 상기 원통부의 전단 개구 측의 외주면 부분에 형성된 외치를 구비하며, 상기 원통부의 상기 전단 개구 측의 부분이 상기 파동 발생기에 의해 비(非)원형으로 휘어져 있으며,
    상기 압전 소자는, 상기 가요성 외치 기어에 있어서의 상기 원통부 및 상기 다이어프램 중 적어도 일방의 부위에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 파동 기어 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 압전 소자는, 상기 가요성 외치 기어의 상기 원통부의 외주면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 파동 기어 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 가요성 외치 기어는 회전하지 않도록 지지되어 있는 고정측 부재이며,
    상기 강성 내치 기어는 회전가능한 상태로 지지되어 있는 회전 출력 부재인 것을 특징으로 하는 파동 기어 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 발전부에 의한 발전 전력을 축전하는 축전부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 파동 기어 장치.
  7. 원형 내주면이 마찰 걸림결합면으로 되어 있는 강성 링과, 상기 강성 링의 내측에 동축상으로 배치되고, 원형 외주면이 마찰 걸림결합면으로 되어 있는 가요성 링과, 상기 가요성 링의 내측에 동축상으로 배치된 파동 발생기를 가지며, 상기 파동 발생기에 의해, 상기 가요성 링은 반경방향으로 휘어져서 상기 강성 링에 부분적으로 마찰 걸림결합되어 있고, 상기 파동 발생기의 회전에 수반하여 양(兩) 링의 마찰 걸림결합 위치가 원주방향으로 이동하면, 양 링의 사이에, 양 링의 상기 마찰 걸림결합면의 둘레 길이의 차(差)에 따른 상대 회전이 발생하는 마찰 걸림결합식 파동 장치로서,
    상기 가요성 링에는 진동 발전부가 배치되어 있고,
    상기 진동 발전부는, 상기 파동 발생기의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 상기 가요성 링의 휨 동작에 의해 발전을 행하는 것을 특징으로 하는 마찰 걸림결합식 파동 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 진동 발전부는, 상기 파동 발생기의 회전에 수반하여 반복적으로 휘어지는 상기 가요성 링의 휨 동작에 의해 변위하여 발전을 행하는 압전 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 마찰 걸림결합식 파동 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 가요성 링은, 가요성의 원통부와, 상기 원통부의 후단으로부터 반경방향으로 연장되어 있는 원반 형상의 다이어프램을 구비하며, 상기 원통부의 전단 개구 측의 외주면 부분에 상기 마찰 걸림결합면이 형성되어 있고, 상기 원통부의 상기 전단 개구 측의 부분이 상기 파동 발생기에 의해 비(非)원형으로 휘어져 있으며,
    상기 압전 소자는, 상기 가요성 링에 있어서의 상기 원통부 및 상기 다이어프램 중 적어도 일방의 부위에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰 걸림결합식 파동 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 압전 소자는, 상기 가요성 링의 상기 원통부의 외주면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰 걸림결합식 파동 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 가요성 링은 회전하지 않도록 지지되어 있는 고정측 부재이며,
    상기 강성 링은 회전가능한 상태로 지지되어 있는 회전 출력 부재인 것을 특징으로 하는 마찰 걸림결합식 파동 장치.
  12. 제 7항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 발전부에 의한 발전 전력을 축전하는 축전부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 마찰 걸림결합식 파동 장치.
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