KR102189370B1

KR102189370B1 - 파동 기어 장치

Info

Publication number: KR102189370B1
Application number: KR1020207022504A
Authority: KR
Inventors: 가즈아키 마니와; 요시토모 미조구치; 다쿠미 이마다; 아키히로 오리타
Original assignee: 가부시키가이샤 하모닉 드라이브 시스템즈
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2020-12-09
Also published as: US20210071745A1; WO2019155831A1; EP3730811A4; TWI770349B; EP3730811B1; TW201934903A; KR20200096682A; EP3730811A1; JP7072144B2; CN111684176B; JP2019138343A; CN111684176A; US11015693B2

Abstract

이 파동 기어 장치(1)는, 링 모양을 하고 강성을 가지는 내치 치차(11)와, 링 모양을 하고 가요성을 가지고, 내치 치차 내에 배치된 외치 치차(17)와, 외치 치차 내에 배치되고, 외치 치차를 지름 방향으로 휘게 하여 내치 치차에 대해서 부분적으로 맞물리게 함과 아울러, 내치 치차와 외치 치차가 맞물리는 위치를 둘레 방향으로 이동시키는 파동 발생기(31)를 구비한다. 파동 발생기의 외주면에서의 비커스 경도에 대한, 외치 치차의 내주면에서의 비커스 경도의 비율은, 1.2 이상 1.7 이하이다.

Description

파동 기어 장치

본 발명은, 파동 기어 장치에 관한 것이다.

본원은, 2018년 2월 7일에, 일본에 출원된 일본특허출원 제2018-020532호에 근거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 감속기의 하나로서, 파동 기어 장치가 이용되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1, 2, 및 비특허 문헌 1 참조). 전형적인 파동 기어 장치는, 내치 치차(Circular Spline)와, 외치 치차(Flex spline)와, 파동 발생기(Wave Generator)를 구비하고 있다.

내치 치차는, 링 모양을 하고 강성을 가진다. 외치 치차는, 링 모양을 하고 가요성을 가지며, 내치 치차 내에 배치되어 있다. 파동 발생기는, 타원형 윤곽을 한 강성이 높은 웨이브 플러그(plug)와, 이 웨이브 플러그의 외주에 끼워진 웨이브 베어링으로 구성되어 있다. 외치 치차를 타원형으로 휘게 하여, 그 장축 방향의 양단에 위치하고 있는 외치를 내치 치차의 내치에 맞물리게 한다. 파동 발생기를 모터 등에 의해서 회전시키면, 양 치차의 맞물림 위치가 둘레 방향으로 이동한다. 이 결과, 양 치차의 치수(齒數) 차(差)에 기인하여 양 치차에 둘레 방향의 상대 회전이 발생한다.

일반적으로, 양 치차의 치수 차는 2매가 되고, 내치 치차가 파동 기어 장치의 하우징 등에 고정되어 있다. 이 때문에, 치수 차에 근거하여 큰 폭으로 감속된 회전 출력이, 외치 치차로부터 외부로 취출된다.

이 구성의 파동 기어 장치에서는, 작동 중에 파동 발생기의 외주면과 외치 치차의 내주면과의 사이에서, 미소(微小) 미끄럼을 따라 간극의 개폐(스퀴즈 운동)가 생긴다.

특허 문헌 1 : 일본특허 제4165679호 공보 특허 문헌 2 : 일본특허 제4807689호 공보

비특허 문헌 1 : 마니와 가즈아키, 오바라 신고, 「우주용 파동 기어 장치의 윤활 기구에 관한 연구」, [online], 평성 19년 3월, 우주 항공 연구 개발 기구 연구 개발 보고, [평성 29년 11월 27일 검색], 인터넷〈URL：https://repository.exst.jaxa.jp/dspace/handle/a-is/41002〉

그렇지만, 파동 기어 장치의 사용 장소에 따라서는, 파동 발생기의 외주면과 외치 치차의 내주면과의 사이에 윤활제를 사용할 수 없거나, 혹은 소량의 윤활제 밖에 사용할 수 없는 경우가 있다.

게다가, 파동 기어 장치의 운전 조건이 엄격한 경우에는, 파동 발생기와 외치 치차와의 사이의 접촉면에 대한 윤활이 불충분하게 되기 쉽다. 이 접촉면의 윤활이 불충분하게 되면, 시징(seizing) 등의 폐해가 발생한다.

본 발명은, 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 외치 치차의 내주면의 내마모성을 향상시킨 파동 기어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 파동 기어 장치는, 링 모양을 하고 강성을 가지는 내치 치차와, 링 모양을 하고 가요성을 가지며, 상기 내치 치차 내에 배치된 외치 치차와, 상기 외치 치차 내에 배치되고, 상기 외치 치차를 지름 방향으로 휘게 하여 상기 내치 치차에 대해서 부분적으로 맞물리게 함과 아울러, 상기 내치 치차와 상기 외치 치차가 맞물리는 위치를 둘레 방향으로 이동시키는 파동 발생기를 구비하는 파동 기어 장치에 있어서, 상기 파동 발생기의 외주면에서의 비커스 경도에 대한, 상기 외치 치차의 내주면에서의 비커스 경도의 비율은, 1.2 이상 1.7 이하인 것을 특징으로 하고 있다.

이 발명에 의하면, 파동 발생기의 외주면에 대한 외치 치차의 내주면의 비커스 경도의 비율이 1.2 이상 1.7 이하이다. 이 때문에, 파동 발생기의 외주면과 외치 치차의 내주면이 슬라이딩했을 때에, 비교적 표면 경도가 낮은 파동 발생기의 외주면이 마모되기 쉬워진다. 따라서, 외치 치차의 내주면의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

또, 상기의 파동 기어 장치에서, 상기 외치 치차의 내주면의 산술 평균 거칠기는, 0.05μm 이상 0.1μm 이하라도 괜찮다.

이 발명에 의하면, 외치 치차의 내주면에 평활한 면이 형성되어, 초기 마모 가루의 발생을 억제할 수 있다.

또, 상기의 파동 기어 장치에서, 상기 외치 치차의 내주면에서의 JIS　B　0601：2013으로 규정되는 스큐니스(skewness)는, -2 이상 -0.3 이하라도 괜찮다.

이 발명에 의하면, 외치 치차의 내주면에, 기름 고임부(딤플(dimple))로서 기능하는 오목부가 형성된다. 오목부에 고인 윤활제는, 오목부로부터 외부로 유출되기 어려워진다. 오목부 내의 윤활제에 의해, 파동 발생기의 외주면과 외치 치차의 내주면과의 사이의 마모를 저감시킬 수 있다.

또, 상기의 파동 기어 장치에서, 상기 외치 치차는, 링 모양을 하고 가요성을 가지는 외치 치차 본체와, 상기 외치 치차 본체의 외주면에 마련된 외치와, 상기 외치 치차 본체의 내주면에 마련된 제1 경화층을 가지며, 상기 제1 경화층의 두께는, 50μm 이하, 또한, 상기 외치 치차 본체에서의 상기 외치의 치 저부와 상기 외치 치차 본체의 내주면과의 거리의 10% 이하라도 괜찮다.

구체적으로, 경도가 높은 재료는 깨지기 쉽다. 이 발명에 의하면, 외치 치차 본체에 대해서 제1 경화층이 얇게 되기 때문에, 외치 치차 본체의 내주면에 제1 경화층을 마련하는 것에 의해 외치의 치 저부의 피로 강도가 저하되는 것을 억제할 수 있다.

또, 상기의 파동 기어 장치에서, 상기 외치 치차는, 링 모양을 하고 가요성을 가지는 외치 치차 본체와, 상기 외치 치차 본체의 외주면에 마련된 외치와, 둘레 방향을 따라서, 상기 외치의 지름 방향 외측의 외면 및 측면, 상기 외치 치차 본체에서의 상기 외치의 치 저부에 각각 마련된 제2 경화층을 가지며, 상기 제2 경화층의 두께는, 50μm 이하, 또한, 상기 외치 치차 본체에서의 상기 외치의 치 저부와 상기 외치 치차 본체의 내주면과의 거리의 10% 이하라도 괜찮다.

이 발명에 의하면, 외치 치차 본체에 대해서 제2 경화층이 얇게 되기 때문에, 외치 치차 본체에 제2 경화층을 마련하는 것에 의해 외치의 치 저부의 피로 강도가 저하되는 것을 억제할 수 있다.

본 발명의 파동 기어 장치에 의하면, 외치 치차의 내주면의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 파동 기어 장치에서의 단면도이다.
도 2는 도 1 중의 II-II선에 상당하는 단면도이다.
도 3은 도 2 중의 A부 확대도이다.
도 4는 실시예의 파동 기어 장치의 외치 치차에서, 표면으로부터의 거리에 의한 경도의 환산값의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예의 파동 기어 장치의 외치 치차에서, 내주면의 둘레 방향의 표면 거칠기의 확률 밀도 함수를 나타내는 도면이다.
도 6은 실시예의 파동 기어 장치에서의 출력축의 누적 회전수에 대한 입력 토크의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 비교예의 파동 기어 장치의 외치 치차에서, 내주면의 둘레 방향의 표면 거칠기의 확률 밀도 함수를 나타내는 도면이다.
도 8은 비교예의 파동 기어 장치에서의 출력축의 누적 회전수에 대한 입력 토크의 변화를 나타내는 도면이다.

(제1 실시 형태)

이하, 본 발명에 관한 파동 기어 장치의 제1 실시 형태를, 도 1 내지 도 3을 참조하면서 설명한다.

도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 파동 기어 장치(1)는, 이른바 컵 모양의 파동 기어 장치이다. 파동 기어 장치(1)는, 내치 치차부(내치 치차)(11)와, 외치 치차부(16)와, 파동 발생기(31)를 구비하고 있다. 또, 도 2에는 단면을 나타내는 해칭을 부여하지 않았다.

내치 치차부(11)는, 링 모양을 하고 강성을 가지고 있다. 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 내치 치차부(11)는, 내치 치차 본체(12)와, 복수의 내치(13)와, 내치 경화층(제3 경화층)(14)을 가지고 있다.

내치 치차 본체(12)는, 링 모양을 하고 강성을 가지고 있다. 복수의 내치(13)는, 내치 치차 본체(12)의 내주면에, 내치 치차 본체(12)의 둘레 방향(이하, 간단히 '둘레 방향'이라고 함)을 따라서 늘어놓아 마련되어 있다. 예를 들면, 내치 치차 본체(12) 및 복수의 내치(13)는, 스테인리스강 등에 의해 일체로 형성되어 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 내치 경화층(14)은, 둘레 방향을 따라서, 복수의 내치(13)에서의 내치 치차 본체(12)의 지름 방향(이하, 간단히 '지름 방향'이라고 함) 내측의 외면(13a) 및 측면(13b), 내치 치차 본체(12)에서의 내치(13)의 치 저부(12a)에 각각 마련되어 있다. 내치 경화층(14)의 비커스 경도 Hv는, 내치 치차 본체(12) 및 내치(13)의 비커스 경도 Hv보다도 각각 크다.

예를 들면, 내치 경화층(14)은, 내치 치차 본체(12) 및 복수의 내치(13)를 침탄 처리하거나 질화 처리하는 등에 의해 형성되어 있다.

도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 외치 치차부(16)는, 외치 치차(17)와, 다이어프램(18)과, 보스(boss)(19)를 구비하고 있다.

외치 치차(17)는, 링 모양을 하고 가요성을 가지고 있다. 외치 치차(17)는, 내치 치차부(11) 내에 배치되어 있다. 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 외치 치차(17)는, 외치 치차 본체(21)와, 복수의 외치(22)와, 외치 내부 경화층(제1 경화층)(23)과, 외치 외부 경화층(제2 경화층)(24)을 가지고 있다.

외치 치차 본체(21)는, 링 모양을 하고 가요성을 가지고 있다. 복수의 외치(22)는, 외치 치차 본체(21)의 제1 단부의 외주면에, 둘레 방향을 따라서 늘어놓아 마련되어 있다. 복수의 외치(22)는, 내치 치차부(11)의 복수의 내치(13)에 맞물려 있다. 예를 들면, 외치 치차 본체(21) 및 복수의 외치(22)는, 스테인리스강 등에 의해 일체로 형성되어 있다.

외치 내부 경화층(23)은, 외치 치차 본체(21)의 제1 단부에서의 내주면에 마련되어 있다.

외치 내부 경화층(23)의 두께(지름 방향의 길이)는, 50μm(마이크로 미터) 이하, 또한, 외치 치차 본체(21)에서의 외치(22)의 치 저부(21a)와 외치 치차 본체(21)의 내주면과의 거리(L1)의 10% 이하이다. 거리(L1)와 외치 치차 본체(21)의 두께는, 서로 동일하다.

외치 내부 경화층(23)(외치 치차(17)의 내주면)의 비커스 경도 Hv는, 900 이상 1200 이하인 것이 바람직하다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 외치 외부 경화층(24)은, 둘레 방향을 따라서, 복수의 외치(22)의 지름 방향 외측의 외면(22a) 및 측면(22b), 외치 치차 본체(21)에서의 외치(22)의 치 저부(21a)에 각각 마련되어 있다.

경화층(23, 24) 각각의 비커스 경도 Hv는, 외치 치차 본체(21) 및 외치(22)의 비커스 경도 Hv보다도 각각 크다.

예를 들면, 경화층(23, 24)은, 외치 치차 본체(21) 및 복수의 외치(22)를 침탄 처리하거나 질화 처리하는 등에 의해 형성되어 있다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 다이어프램(18)은, 링 모양으로 형성되어 있다. 다이어프램(18)은, 외치 치차 본체(21)의 제2 단부에서의 개구 가장자리부로부터 지름 방향 내측으로 연장되어 있다. 보스(19)는, 링 모양으로 형성되고, 다이어프램(18)의 내부 둘레 가장자리에 일체 형성되어 있다.

도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 파동 발생기(31)는, 외치 치차(17) 내에 배치되어 있다. 파동 발생기(31)는, 웨이브 플러그(32)와, 웨이브 베어링(33)을 구비하고 있다.

웨이브 플러그(32)는, 외형이 타원 형상의 윤곽을 하고 있고, 강성을 가지고 있다.

웨이브 베어링(33)은, 내륜(內輪)(35)과, 외륜(外輪)(36)과, 복수의 볼(37)을 가지고 있다. 내륜(35)은, 웨이브 플러그(32)의 외주면에 끼워져 있다. 내륜(35)의 외주면에는, 둘레 방향에 직교하는 단면이 원호 모양인 볼 전동면(輾動面)(35a)이 형성되어 있다.

외륜(36)은, 외치 치차 본체(21)의 제1 단부에서의 내주면에 끼워넣어져 있다. 보다 상세하게는, 외륜(36)의 외주면은, 외치 치차 본체(21)의 내주면에 마찰 접촉하고 있다. 외륜(36)의 내주면에는, 둘레 방향에 직교하는 단면이 원호 모양인 볼 전동면(36a)이 형성되어 있다.

예를 들면, 외륜(36)의 외주면의 비커스 경도 Hv는 700 정도이다.

복수의 볼(37)은, 내륜(35)의 볼 전동면(35a), 및 외륜(36)의 볼 전동면(36a)의 사이에 전동 가능한 상태로 삽입되어 있다.

파동 발생기(31)에서는, 외치 치차 본체(21)에서의 복수의 외치(22)가 형성된 제1 단부가 타원형이 되도록 지름 방향으로 휘어져 있다. 외치 치차 본체(21)의 제1 단부에서의 장축 방향의 양단에 위치하고 있는 외치(22)는, 내치 치차부(11)의 복수의 내치(13)에 대해서 부분적으로 맞물려 있다.

파동 발생기(31)의 외륜(36)의 외주면에서의 비커스 경도에 대한, 외치 치차(17)의 외치 내부 경화층(23)에서의 비커스 경도의 비율은, 1.2 이상 1.7 이하이다. 이 비율은, 1.3 이상 1.5 이하인 것이 보다 바람직하고, 1.4인 것이 더 바람직하다.

외치 내부 경화층(23)의 내주면의, JIS　B　0601：2013으로 규정되는 산술 평균 거칠기 Ra는, 0.05μm 이상 0.1μm 이하이다. 이 산술 평균 거칠기 Ra는, 0.07μm 이상 0.08μm 이하인 것이 보다 바람직하다. 산술 평균 거칠기 Ra는, 외치 내부 경화층(23)의 내주면에서의 내치 치차 본체(12)의 축선 방향(이하, 간단히 '축선 방향'이라고 함), 및 둘레 방향의 각각에서의 산술 평균 거칠기 Ra인 것이 바람직하다. 외치 내부 경화층(23)의 내주면은, 산술 평균 거칠기 Ra가 이와 같이 조절되어 있는 것에 의해, 평활하고 마모되기 어려운 면(面)이 된다.

외치 치차(17)의 외치 내부 경화층(23)의 내주면에서의 JIS　B　0601：2013으로 규정되는 스큐니스 Rsk는, -2 이상 -0.3 이하이다. 이 스큐니스 Rsk는, -1.2 이상 -0.7 이하인 것이 보다 바람직하다. 스큐니스 Rsk는, 축선 방향 및 둘레 방향의 각각에서의 스큐니스 Rsk인 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 외치 치차(17)의 외치 내부 경화층(23)의 내주면은, 파동 발생기(31)의 외륜(36)의 외주면에 비해, 단단하고 평탄하며, 거칠기의 방향성이 없는 기름 고임부(딤플)로서 기능하는 오목부가 형성된 면이 된다. 이 오목부에, 도시하지 않은 윤활제가 고여져 있다.

파동 기어 장치(1)의 파동 발생기(31)를 모터 등에 의해서 회전시키면, 파동 발생기(31)의 외륜(36)의 외주면과 외치 치차부(16)의 외치 내부 경화층(23)의 내주면이 슬라이딩한다. 그러나, 외치 내부 경화층(23)에 형성된 오목부에 고여진 윤활제에 의해, 외륜(36)의 외주면과 외치 내부 경화층(23)의 내주면이 마모되는 것이 억제된다. 또, 외륜(36) 및 외치 내부 경화층(23)의 비커스 경도의 비율이 전술한 바와 같이 조절되어 있기 때문에, 비교적 표면 경도가 낮은 파동 발생기(31)의 외륜(36)의 외주면이 마모되기 쉬워지고, 비교적 표면 경도가 높은 외치 내부 경화층(23)의 마모는 적어, 기름 고임의 형상은 유지된다.

외치 치차(17)의 외치 내부 경화층(23)의 내주면의 스큐니스가 전술한 바와 같이 조절되어 있기 때문에, 외치 내부 경화층(23)의 내주면에 기름 고임부로서 기능하는 거칠기가 가는 골(谷)이 많아진다. 이 때문에, 외륜(36)의 외주면과 외치 내부 경화층(23)의 내주면과의 사이의 윤활 성능이 향상된다.

내치 치차부(11)의 복수의 내치(13)와 외치 치차부(16)의 복수의 외치(22)가 맞물리는 위치가 둘레 방향으로 이동한다. 이 결과, 내치 치차부(11)와 외치 치차부(16)와의 치수 차에 기인하여, 양 치차부(11, 16)에 둘레 방향으로 상대 회전이 발생한다.

일반적으로, 양 치차부(11, 16)의 치수 차는 2매가 되고, 내치 치차부(11)가 파동 기어 장치(1)의 하우징 등에 고정되어 있다. 이 때문에, 양 치차부(11, 16)의 치수 차에 근거하여 큰 폭으로 감속된 회전 출력이, 외치 치차부(16)의 출력축으로부터 외부로 취출된다.

종래의 파동 기어 장치와 같이, 파동 발생기의 외주면과 외치 치차의 내주면과의 마찰 상태가 악화되면, 파동 발생기와 외치 치차와 사이에 작용하는 스러스트력(thrust力)을 증대시킨다. 이 때문에, 외치 치차와 내치 치차와의 축선 방향의 상대 변위가 생기고, 결과로서 외치 치차의 외치와 내치 치차의 내치와의 마모도 촉진된다.

이것에 대해서, 본 실시 형태의 파동 기어 장치(1)에 의하면, 파동 발생기(31)의 외륜(36)의 외주면에 대한 외치 치차(17)의 외치 내부 경화층(23)의 비커스 경도 Hv의 비율이 1.2 이상 1.7 이하이다. 이 때문에, 외륜(36)의 외주면과 외치 내부 경화층(23)의 내주면이 슬라이딩 했을 때에, 비교적 표면 경도가 낮은 외륜(36)의 외주면이 마모된다. 따라서, 외치 내부 경화층(23)의 내주면의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

외치 치차(17)의 외치 내부 경화층(23)의 내주면에서의 산술 평균 거칠기 Ra는, 0.05μm 이상 0.1μm 이하이다. 따라서, 외치 치차(17)의 내주면에 평활한 면이 형성되어 초기 마모 분말의 발생을 억제할 수 있다.

오목부가 형성된 외치 내부 경화층(23)의 내주면이 단단하기 때문에, 장기간에 걸쳐 기름 고임이 접촉면에 유지된다. 이 결과, 윤활제가 장기에 걸쳐 접촉면 사이에 유지되어, 경계 윤활하에서의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

파동 발생기(31)의 외주면과 외치 치차(17)의 내주면과의 사이의 마찰·마모가 저감되면, 파동 발생기(31)와 외치 치차(17)와 사이에 작용하는 스러스트력이 저감되고, 결과로서 외치 치차(17)의 외치(22)와 내치 치차부(11)의 내치(13)와의 마모를 억제할 수 있다.

외치 치차(17)의 외치 내부 경화층(23)의 내주면에서의 스큐니스 Rsk는, -2 이상 -0.3 이하이다. 외치 치차(17)의 내주면에, 기름 고임으로서 기능하는 오목부가 형성된다. 오목부에 고인 윤활제는, 오목부로부터 외부로 유출되기 어려워진다. 오목부 내의 윤활제에 의해, 파동 발생기(31)의 외주면과 외치 치차(17)의 내주면과의 사이의 마모를 저감시킬 수 있다.

외치 내부 경화층(23)의 두께는, 50μm 이하, 또한, 외치 치차 본체(21)에서의 외치(22)의 치 저부(21a)와 내주면과의 거리(L1)의 10% 이하이다. 일반적으로, 경도가 높은 재료는 깨지기 쉽다. 외치 치차 본체(21)에 대해서 외치 내부 경화층(23)이 얇게 되기 때문에, 외치 치차 본체(21)의 내주면에 외치 내부 경화층(23)을 마련하는 것에 의해서 외치(22)의 치 저부의 피로 강도가 저하되는 것을 억제할 수 있다.

(제2 실시 형태)

다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 도 3을 참조하면서 설명하지만, 상기 실시 형태와 동일한 부위에는 동일한 부호를 부여하여 그 설명은 생략하고, 다른 점에 대해서만 설명한다.

도 3에 나타내는 본 실시 형태의 파동 기어 장치(2)는, 제1 실시 형태의 파동 기어 장치(1)에 비해, 이하의 구성이 다르다.

내치 경화층(14) 및 외치 외부 경화층(24)의 비커스 경도 Hv는, 각각 900 이상 1200 이하이다. 내치 경화층(14)의 내주면, 및 외치 외부 경화층(24)의 외주면의 산술 평균 거칠기 Ra는, 각각 0.3μm 이하이다.

내치 경화층(14)의 두께는, 50μm 이하이다.

외치 외부 경화층(24)의 두께는, 50μm 이하, 또한, 전술의 외치 치차 본체(21)에서의 거리(L1)의 10% 이하이다.

이와 같이 구성된 본 실시 형태의 파동 기어 장치(2)에 의하면, 외치 치차(17)의 내주면의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

게다가, 외치 외부 경화층(24)의 두께는, 50μm 이하, 또한, 외치 치차 본체(21)에서의 거리(L1)의 10% 이하이다. 외치 치차 본체(21)에 대해서 외치 외부 경화층(24)이 얇게 되기 때문에, 외치 치차 본체(21)에 외치 외부 경화층(24)을 마련하는 것에 의해 외치(22)의 치 저부(21a)의 피로 강도가 저하되는 것을 억제할 수 있다.

내치 경화층(14)의 두께는, 50μm 이하이다.

내치 경화층(14) 및 외치 외부 경화층(24)의 비커스 경도 Hv는 각각 900 이상 1200 이하이기 때문에, 내치 치차부(11)의 복수의 내치(13)와 외치 치차부(16)의 복수의 외치(22)와의 사이의 마모를 저감시킬 수 있다.

내치 경화층(14)의 내주면, 및 외치 외부 경화층(24)의 외주면의 산술 평균 거칠기 Ra는, 각각 0.3μm 이하이다. 내치 경화층(14)의 내주면, 및 외치 외부 경화층(24)의 외주면의 표면 거칠기를 작게 하는 것에 의해, 내치 치차부(11)의 복수의 내치(13)와 외치 치차부(16)의 복수의 외치(22)와의 사이의 마모를 저감시킬 수 있다.

일반적으로, 파동 기어 장치의 출력축에 부하되는 토크가 커지면, 치면(齒面)의 마모가 증대된다. 본 실시 형태의 파동 기어 장치(2)는, 정격 토크의 10% 이상, 부하 토크를 인가하는 경우에 유효하다. 파동 기어 장치(2)의 구성에 의해, 파동 기어 장치(2)의 치면의 마모를 억제할 수 있다.

이상, 본 발명의 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 상술했지만, 구체적인 구성은 이 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위의 구성의 변경, 조합, 삭제 등도 포함된다. 게다가, 각 실시 형태에서 나타낸 구성의 각각을 적절히 조합시켜 이용할 수 있는 것은, 말할 필요도 없다.

예를 들면, 상기 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에서는, 파동 발생기(31)의 외륜(36)의 외주면에서의 비커스 경도에 대한, 외치 치차(17)의 외치 내부 경화층(23)에서의 비커스 경도의 비율이 1.2 이상 1.7 이하이면, 외치 내부 경화층(23)의 내주면의 산술 평균 거칠기 Ra는, 0.05μm 미만이라도 좋고, 0.1μm를 초과해도 괜찮다.

외치 치차(17)의 외치 내부 경화층(23)의 내주면에서의 스큐니스 Rsk는, -2 미만이라도 좋고, -0.3을 초과해도 괜찮다.

경화층(23, 24)의 두께는, 50μm를 초과하거나, 외치 치차 본체(21)의 두께의 10%를 초과하거나 해도 괜찮다. 내치 경화층(14)의 두께는, 50μm를 초과하거나 해도 괜찮다.

다이어프램(18)의 형상은, 도 1의 형상에 한정되지 않는다.

(실험 결과)

이하, 실시예 및 비교예를 이용한 실험 결과에 대해 설명한다.

실시예의 파동 기어 장치는, 제1 실시 형태의 파동 기어 장치에서, 이하의 사양으로 각 구성을 제작했다.

·내치 치차부를, 석출 경화계 스테인리스강인 SUS630를 이용하여 제작했다.

·외치 치차부를, 석출 경화계 스테인리스강인 15-5PH를 이용하여 제작했다.

·파동 발생기의 내륜, 외륜, 및 볼을, 마르텐사이트계 스테인리스강인 SUS440C를 이용하여 제작했다.

·외치 치차의 내주면 및 외치, 내치 치차부의 내치에 대해서, 플라스마 침탄 처리를 행하여 외치 내부 경화층, 외치 외부 경화층, 및 내치 경화층을 형성했다. 이 처리에 의해, 내치 치차 본체 및 외치 치차 본체의 표면의 경도를 상승시켰다. 또, 표면의 경도의 조절을, 질화 처리나 DLC(Diamond Like Carbon) 막 등에 의해 행해도 괜찮다.

·외치 치차의 내주면 및 외치, 내치 치차부의 내치에 대해서, 2단계 쇼트 피닝(shot peening) 처리를 행하고, 각 표면의 산술 평균 거칠기 Ra를 조절했다. 이 처리에 의해, 압축 잔류 응력을 부여하고, 또, 표면을 연마했다. 또, 산술 평균 거칠기 Ra의 조절을, 기계 가공에 의해 행해도 괜찮다.

실시예의 파동 기어 장치의 외치 치차에서, 표면으로부터의 거리에 의한 경도의 측정 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4에서, 가로축은, 외치 치차의 표면으로부터의 거리(μm)를 나타내고, 세로축은, 비커스 경도 Hv의 환산값을 나타낸다. 도면 중의 ○표는, 외치 치차의 외치에서의 측정 결과이며, 도면 중의 □표는, 외치 치차의 내주면에서의 측정 결과이다.

경도의 측정은, 나노인덴테이션법(Nanoindentation法)에 의해 행했다. 사용한 압자(壓子)는, 삼각추형의 Berkovich 압자이다. 나노인덴테이션법에 의해 측정한 경도를, 비커스 경도 Hv로 환산했다.

모재(母材)인 외치 치차 본체에서의 비커스 경도 Hv의 환산값은, 약 420이다.

예를 들면, 외치 외부 경화층은, 외치 치차의 외치에서, 표면의 경도를 상승시킨 부분에서의 비커스 경도 Hv의 환산값이 900 이상의 범위 R1이다. 외치 내부 경화층은, 외치 치차의 내주면에서, 표면의 경도를 상승시킨 부분에서의, 비커스 경도 Hv의 환산값이 900 이상인 범위 R2이다.

이 실시예에서는, 외치 외부 경화층의 두께는 약 15μm이며, 외치 내부 경화층의 두께는 약 10μm이다. 예를 들면, 외치 치차 본체의 두께는, 200μm~300μm이다. 양 경화층의 두께는, 50μm 이하, 또한, 외치 치차 본체의 두께의 10% 이하의 조건을 만족한다.

실시예의 파동 기어 장치의 외치 치차에서, 내주면의 둘레 방향의 표면 거칠기의 확률 밀도 함수를 도 5에 나타낸다. 도 5에서, 가로축은 확률 밀도(%)를 나타내고, 세로축은 컷 레벨을 나타낸다.

표면 거칠기는, 촉침식(觸針式) 표면 거칠기 측정기에 의해 측정했다. 다이아몬드에 의해 형성된 2μmR의 촉침을, 0.03mm/s(밀리미터 매초)의 속도로 이동시켜, 표면 거칠기를 측정했다. 이 경우, 스큐니스 Rsk는, -1.1이었다.

도 6은, 실시예의 파동 기어 장치를 이용한, 출력축의 누적 회전수에 대한 입력 토크의 변화를 나타내는 도면이다. 가로축은, 외치 치차부의 출력축의 회전수(회, 시간에 상당함)를 나타낸다. 세로축은, 파동 발생기로의 입력 토크(N·m(뉴턴·미터), 마찰에 상당함)를 나타낸다. 실험에 이용한 파동 기어 장치는, 제품 번호가 20(외치 치차의 내경이 약 50mm)이며, 감속비가 1/160이다.

이 실험에서는, 초기의 입력 토크에 비해, 입력 토크가 50% 증가했을 때에, 파동 기어 장치가 회전되기 어려워져 파동 기어 장치가 수명을 다했다고 규정했다.

또, 실시예의 파동 기어 장치를 이용한 실험은, 진공 중에서 행해졌다. 일반적으로, 진공 중에서는, 대기 중에 비해, 파동 기어 장치의 윤활 수명이 수십분의 1 이하로 저하된다. 진공 중에서는, 슬라이딩 부분이 조기에 마모되기 때문에, 파동 기어 장치의 전달 효율의 저하, 각도 전달 정밀도의 악화, 및 스프링 정수의 저하가 생긴다.

실험의 결과, 출력축의 회전수가 51.6만회에 이르러도, 입력 토크는 초기의 입력 토크와 동일한 낮은 레벨인 것을 알았다. 이 수명은, 후술하는 비교예의 파동 기어 장치에 대해서, 14.7배(=51.6/3.5) 이상인 것을 알았다.

실험이 종료된 후에 파동 기어 장치를 관찰했는데, 파동 발생기의 외주면, 및 내치 치차의 내주면에는, 매우 약간의 마모밖에 볼 수 없었다. 외치 치차부의 외치, 및 내치 치차부의 내치에는, 경미한 마모가 확인되었지만, 외치 치차부 및 내치 치차부는, 서로 회전 가능한 상태였다. 실험 후에 각도 전달 오차가 증가한 양은, 20%이었다.

이것에 대해서, 비교예의 종래의 파동 기어 장치의 외치 치차에서, 내주면의 둘레 방향의 표면 거칠기의 확률 밀도 함수를 도 7에 나타낸다. 도 7에서, 가로축은 확률 밀도(%)를 나타내고, 세로축은 컷 레벨을 나타낸다. 표면 거칠기는, 전술의 실시예의 파동 기어 장치와 동일하게 측정했다. 이 경우, 스큐니스 Rsk는, -0.03이었다.

도 8은, 비교예의 파동 기어 장치를 이용한, 출력축의 누적 회전수에 대한 입력 토크의 변화를 나타내는 도면이다. 가로축은, 외치 치차부의 출력축의 회전수(회)를 나타내고, 세로축은, 파동 발생기로의 입력 토크(N·m)를 나타낸다. 또, 이 결과는, Keiji Ueura, et al., "DEVELOPMENT OF STRAIN WAVE GEARING FOR SPACE APPLICATIONS", Proc. '12th Euro. Space Mechanisms & Tribology Symp. (ESMATS)', Liverpool, UK, 19-21 September 2007(ESA SP-653, August 2007)으로부터 발췌한 것이다.

윤활유에 의해 윤활시킨 파동 기어 장치를 진공 중에서 회전시켜, 수명을 조사했다. 이 결과, 회전수가 약 3.5만 회전에 이르렀을 때에 입력 토크가 증가하여, 파동 기어 장치는 윤활 수명에 이르렀다.

실험이 종료된 후에, 파동 기어 장치를 관찰했는데, 파동 발생기의 외주면, 외치 치차부의 내주면, 외치 치차부의 외치, 및 내치 치차부의 내치에 심한 마모가 확인되었다. 실험 후에 각도 전달 오차가 증가한 양은, 2배 이상이었다.

[산업상의 이용 가능성]

상기한 파동 기어 장치에 의하면, 외치 치차의 내주면의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

1, 2 : 파동 기어 장치 11 : 내치 치차부(내치 치차)
17 : 외치 치차 21 : 외치 치차 본체
21a : 치 저부 22 : 외치
22a : 외면 22b : 측면
23 : 외치 내부 경화층(제1 경화층)
24 : 외치 외부 경화층(제2 경화층)
31 : 파동 발생기 L1, L2 : 거리

Claims

링 모양을 하고 강성을 가지는 내치 치차와,
링 모양을 하고 가요성을 가지며, 상기 내치 치차 내에 배치된 외치 치차와,
상기 외치 치차 내에 배치되고, 상기 외치 치차를 지름 방향으로 휘게 하여 상기 내치 치차에 대해서 부분적으로 맞물리게 함과 아울러, 상기 내치 치차와 상기 외치 치차가 맞물리는 위치를 둘레 방향으로 이동시키는 파동 발생기를 구비하는 파동 기어 장치에 있어서,
상기 파동 발생기의 외주면에서의 비커스 경도에 대한, 상기 외치 치차의 내주면에서의 비커스 경도의 비율은, 1.2 이상 1.7 이하인 파동 기어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 외치 치차의 내주면의 산술 평균 거칠기는, 0.05μm 이상 0.1μm 이하인 파동 기어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 외치 치차의 내주면에서의 JIS　B　0601：2013으로 규정되는 스큐니스(skewness)는, -2 이상 -0.3 이하인 파동 기어 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외치 치차는,
링 모양을 하고 가요성을 가지는 외치 치차 본체와,
상기 외치 치차 본체의 외주면에 마련된 외치와,
상기 외치 치차 본체의 내주면에 마련된 제1 경화층을 가지며,
상기 제1 경화층의 두께는, 50μm 이하, 또한, 상기 외치 치차 본체에서의 상기 외치의 치 저부과 상기 외치 치차 본체의 내주면과의 거리의 10% 이하인 파동 기어 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외치 치차는,
링 모양을 하고 가요성을 가지는 외치 치차 본체와,
상기 외치 치차 본체의 외주면에 마련된 외치와,
둘레 방향을 따라서, 상기 외치의 지름 방향 외측의 외면 및 측면, 상기 외치 치차 본체에서의 상기 외치의 치 저부에 각각 마련된 제2 경화층을 가지며,
상기 제2 경화층의 두께는, 50μm 이하, 또한, 상기 외치 치차 본체에서의 상기 외치의 치 저부와 상기 외치 치차 본체의 내주면과의 거리의 10% 이하인 파동 기어 장치.