KR102321140B1 - 하모닉 드라이브 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 하모닉 드라이브는 입력축에 연결된 썬기어(sun gear), 상기 썬기어와 기어 결합하는 2개 이상의 유성기어(planetary gear), 탄성체 소재로 이루어지고, 복수 개의 제1 내치와 복수 개의 외치를 구비하며, 상기 유성기어의 기어치가 상기 제1 내치에 맞물리는 플렉스 스플라인(flex spline), 그리고 상기 플렉스 스플라인이 위치하는 원형의 중공부를 구비하고, 상기 중공부의 내벽 둘레에는 복수 개의 제2 내치가 형성되고, 상기 플렉스 스플라인의 외치는 상기 제2 내치와 맞물리는 서큘러 스플라인(circular spline)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하모닉 드라이브{Harmonic drive}

본 발명은 하모닉 드라이브에 관한 것이다.

하모닉 드라이브(harmonic Drive)는 기존의 감속기(gear)에 비해 소형, 경량, 고감속비를 갖는 감속기로서, 고정밀도 및 고감속비를 실현할 수 있어 로봇, 정밀기기, 공작기계 등의 분야에서 활용도가 점점 확대되고 있는 실정이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 기존의 하모닉 드라이브는 웨이브 제너레이터(wave generator)(110), 플렉스 스플라인(flex spline)(120), 및 서큘러 스플라인(circular spline)(130)의 3가지 핵심요소로 구성되며, 이들은 기존 감속기와 달리 동일 축에 조립이 되는 구조이다.

구체적으로, 웨이브 제너레이터(110)는 타원형상을 한 부품으로서, 타원형상의 캠(11d) 외주에 볼베어링이 조립되고, 베어링의 내륜(11a)은 캠에 고정되고, 외륜(11b)은 볼(11c)을 매개로 탄성 변형 운동하면서, 입력된 원형의 동력을 타원의 웨이브 형태의 동력으로 바꾸어준다.

플렉스 스플라인(120)은 기어의 감속비를 결정하고 출력 측에 동력을 전달하는 역할을 하는 부품으로서 컵형상을 한 금속 탄성체로 이루어진 부품이다. 플렉스 스플라인(120)은 플렉스 스플라인 몸체(12a)와 다이어프램(diaphram)(12b)으로 구성된다. 플렉스 스플라인 몸체(12a)는 웨이브 제너레이터(110)의 외륜(11b)을 감싸고, 캠(11d)의 회전에 따라 외륜(11b)과 함께 탄성 변형이 가능한 얇은 재질로 이루어지며, 컵의 외주에 복수의 기어치(T1)가 형성된다. 그리고 다이어프램(12b)은 플렉스 스플라인 몸체(12a)의 단부를 이루며 출력부 축(output shaft)(미도시)과 연결된다. 이와 같이, 플렉스 스플라인(120)은 타원의 웨이브 제너레이터(110)에 접촉되어 타원형태로 탄성변형 하면서 감속된 동력을 전달한다.

서큘러 스플라인(130)은 강체의 링 형상의 부품으로서, 플렉스 스플라인(120)의 기어치(T1)와 맞물리도록 내주면에 복수의 기어치(T2)가 구비된다. 특히, 감속비를 얻기 위해 서큘러 스플라인(130)의 기어(T2) 치수는 플렉스 스플라인(120)의 기어(T1) 치수보다 많게 제작된다. 서큘러 스플라인(130)은 플렉스 스플라인(120)과의 접촉시, 타원 형상의 플렉스 스플라인(120)으로 인하여 일부분의 기어치끼리 상호 결합에 의해 소정의 감속비를 가지게 된다.

이러한 구성을 통하여, 웨이브 제너레이터(110)의 1회전시 플렉스 스플라인(120)의 치수와 서큘러 스플라인(130)의 치수의 차이만큼, 플렉스 스플라인(120)이 반시계방향으로 이동한다. 예를 들면, 플렉스 스플라인(120)의 치수가 서큘러 스플라인(130)의 치수보다 2개 작을 경우, 웨이브 제너레이터(110)의 1회전시 플렉스 스플라인(120)은 서큘러 스플라인(130)에 상대적으로 2개분만큼 반시계방향으로 이동한다. 따라서, 기어치수의 차이만큼 감속비를 줄 수 있기 때문에 높은 감속비를 얻을 수 있다.

그러나 기존의 하모닉 드라이브(600)는 플렉스 스플라인 내부에 위치하는 웨이브 제너레이터의 볼베어링 구조의 존재로 인하여, 하모닉 드라이브의 전체 크기를 줄이는데 한계가 있었다. 한 예로, 웨이브 제너레이터의 외경이 φ20 mm 정도 미만의 제품을 찾기가 어렵다.

또한, 기존의 하모닉 드라이브는 플렉스 스플라인의 기어치와, 서큘러 스플라인의 기어치에 의해 감속되는 방식인데, 이러한 구성은 일반적으로 300:1 이상의 감속비를 얻기는 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 하모닉 드라이브의 전체 크기를 더욱 콤팩트하게 소형으로 구현할 수 있고, 종래보다 높은 감속비를 구현할 수 있는 하모닉 드라이브를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 하모닉 드라이브는 입력축에 연결된 썬기어(sun gear), 상기 썬기어와 기어 결합하는 2개 이상의 유성기어(planetary gear), 탄성체 소재로 이루어지고, 복수 개의 제1 내치와 복수 개의 외치를 구비하며, 상기 유성기어의 기어치가 상기 제1 내치에 맞물리는 플렉스 스플라인(flex spline), 그리고 상기 플렉스 스플라인이 위치하는 원형의 중공부를 구비하고, 상기 중공부의 내벽 둘레에는 복수 개의 제2 내치가 형성되고, 상기 플렉스 스플라인의 외치는 상기 제2 내치와 맞물리는 서큘러 스플라인(circular spline)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서큘러 스플라인의 제2 내치의 치수(齒數)는 상기 플렉스 스플라인의 외치의 치수(齒數)보다 많은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 입력축은 구동모터의 축에 해당하고, 상기 썬기어는 상기 구동모터의 축의 말단부에 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 2개 이상의 상기 유성기어는 상기 썬기어를 중심으로 동일 각도로 떨어지게 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플렉스 스플라인의 복수 개의 제1 내치와 복수 개의 외치는 동일한 치수(齒數)를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유성기어는 그 중심에 관통홀을 구비하고, 상기 하모닉 드라이브는 캐리어를 더 포함하며, 상기 캐리어는, 상기 유성기어의 관통홀을 관통하는 지지바, 그리고 상기 지지바의 양단에 각각 고정된 상판 및 하판을 구비하며, 상기 유성기어는 상기 상판 및 상기 하판 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지바와 상기 유성기어의 관통홀 사이에는 슬리브 또는 베어링이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플렉스 스플라인은 일단이 개방된 얇은 두께의 컵형상이고, 상기 제1 내치와 상기 외치가 끝나는 부위에, 외벽 쪽으로 만곡부가 형성되도록 내벽에 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 하모닉 드라이브는 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명의 하모닉 드라이브는, 종래의 하모닉 드라이브의 웨이브 제너레이터의 베어링 구성이 필요하지 않아, 구성요소 장착을 위한 공간을 최소화할 수 있어, 더욱 콤팩트(compact) 하게 하모닉 드라이브를 구현할 수 있어, 소형의 하모닉 드라이브를 필요로 하는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 또한, 썬기어와 유성기어의 조합으로 증대된 감속 효과를 용이하게 달성할 수 있다.

또한, 본 발명의 하모닉 드라이브는 썬기어와 유성기어의 조합을 통해 플렉스 스플라인을 이동시키는 구성이어서, 슬립(slip) 현상이 발생함이 없이 정확한 감속 구동을 달성할 수 있다.

한편, 본 발명은 명시적으로 기재되지는 않았지만 상술한 구성으로부터 기대할 수 있는 다른 효과도 물론 포함한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 하모닉 드라이브의 주요 구성의 모식도이다.
도 2는 도 1의 하모닉 드라이브의 썬기어가 모터구동의 축에 구비된 것을 나타낸다.
도 3은 도 1의 하모닉 드라이브의 정면도이다(캐리어 생략).
도 4 및 도 5는 도 1의 하모닉 드라이브에서 캐리어가 장착된 모습을 나타낸다.
도 6은 도 1의 하모닉 드라이브의 환형의 플렉스 스플라인을 나타낸다.
도 7은 도 1의 하모닉 드라이브에서, 플렉스 스플라인과 서큘러 스플라인의 결합 관계를 나타낸다.
도 8은 도 1의 하모닉 드라이브의 서큘러 스플라인을 나타낸다.
도 9는 도 1의 하모닉 드라이브의 작동을 나타내는 모식도이다.
도 10은 도 1의 하모닉 드라이브의 다른 실시예이다.
도 11은 도 1의 하모닉 드라이브의 또 다른 실시예이다.
도 12는 도 1의 하모닉 드라이브의 컵형상의 플렉스 스플라인을 나타낸다.
도 13은 종래의 하모닉 드라이브를 나타낸다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1에는 본 발명의 한 실시예에 따른 하모닉 드라이브(100)의 모식도가 도시되어 있다.

본 하모닉 드라이브는, 썬기어(sun gear)(1), 유성기어(planetary gear)(2), 플렉스 스플라인(flex spline)(3), 그리고 서큘러 스플라인(circular spline)(4)을 주요 구성으로 포함한다.

썬기어(1)는 입력축에 연결될 수 있다. 예시적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 입력축(400)은 구동모터(500)의 축에 해당하고, 썬기어(1)는 구동모터(500)의 축의 말단부에 형성될 수 있다.

유성기어(2)는 썬기어(1)와 기어결합 한다. 본 실시예에서는 예시적으로 2개의 유성기어(2)가 배치되어 있으나, 유성기어(2)의 개수는 2개 이상일 수 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 이들 유성기어(2)는 썬기어(1)를 중심으로 동일 각도로 떨어지게 배치된다. 이에 따라, 2개의 유성기어(2)가 배치된 경우, 이들 유성기어(2)는 썬기어(1)를 중심으로 서로 반대편에 위치한다. 그리고 유성기어(2)는 그 중심에 관통홀(21)을 구비할 수 있다.

따라서, 본 하모닉 드라이브는, 기존의 하모닉 드라이브의 웨이브 제너레이터(11)의 베어링 구성이 필요하지 않아, 구성요소 장착을 위한 공간을 최소화할 수 있어, 더욱 콤팩트하게 하모닉 드라이브를 구현할 수 있다. 또한, 썬기어와 유성기어의 조합으로 증대된 감속 효과를 용이하게 달성할 수 있다.

또한, 본 하모닉 드라이브는 썬기어와 유성기어의 조합을 통해 후술하는 바와 같이, 플렉스 스플라인을 이동시키는 구성이어서, 슬립 현상이 발생함이 없이 정확한 감속 구동을 달성할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 하모닉 드라이브는 캐리어(5)를 더 포함할 수 있다.

캐리어(5)는, 유성기어(2)의 관통홀(21)을 관통하는 지지바(51), 그리고 지지바(51)의 양단에 각각 고정된 상판(52) 및 하판(53)을 구비한다. 그리고 유성기어(2)는 상판(52) 및 하판(53) 사이에 위치한다. 그리고 지지바(51)와 유성기어(2)의 관통홀(21) 사이(도 5의 A)에는 슬리브 또는 베어링(미도시)이 구비될 수 있다. 이러한 캐리어(5)는 하모닉 드라이브의 내구성 증대를 위한 것으로, 소형의 하모닉 드라이브의 경우에는 생략해도 무방하다.

플렉스 스플라인(3)은 탄성체 소재, 예를 들면, 금속제 탄성체 소재로 이루어진다. 도 6에 도시된 바와 같이, 플렉스 스플라인(3)은 얇은 두께의 환형 금속 탄성체 부품으로서, 그 내벽에 복수 개의 제1 내치(內齒)(31)가 형성되고, 그 외벽에 복수 개의 외치(外齒)(32)가 형성된다. 플렉스 스플라인(3)의 일 단부에는 출력축(미도시)이 연결될 수 있다.

플렉스 스플라인(3)의 복수 개의 제1 내치(31)와 복수 개의 외치(32)는 동일한 치수(齒數)를 가진다. 따라서, 플렉스 스플라인의 내치와 외치의 요철(도 7의 B 참조)의 개수는 동일하게 되며, 이를 통하여, 플렉스 스플라인에 가요성 응력이 작용할 때 최대한 균일한 응력이 발생하도록 하여, 플렉스 스플라인의 구조 안정성을 증대시킬 수 있다. 그리고 플렉스 스플라인(3)의 복수 개의 제1 내치(31)에는 유성기어(2)의 기어치가 맞물린다.

한편, 도 12에 도시된 바와 같이, 플렉스 스플라인(3)은 일단이 개방된 얇은 두께의 컵형상을 가질 수도 있다. 이때, 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 내치(31)와 외치(32)가 끝나는 부위에, 외벽 쪽으로 만곡부(33)가 형성되도록 내벽에 곡선 형상의 홈(331)이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

스플라인몸체(34)의 내경(d1)이 제1 내치(31)의 내경과 같거나 작아야 제1 내치(31)를 먼저 가공한 후, 스플라인몸체(34)를 절삭기계의 공구홀더에 고정하여 외치(32)를 가공하기에 유리하다. 그리고 곡선 형상의 홈(331)은 제1 내치(31)의 가공시 절삭칩이 원활하게 유동하게 하여 절삭칩의 분리를 수월하게 하고, 제1 내치(31)와 외치(32)가 끝나는 부위에 형성될 두꺼운 단면적을 줄여서 플렉스 스플라인(3)의 탄성변형을 유리하게 한다. 또한, 곡선 형상의 홈(331)을 구비하는 만곡부(33)는 플렉스 스플라인(3)의 탄성변형 시 각이 진 홈형상 대비하여, 낮은 탄성스트레스를 유발하고, 플렉스 스플라인(3)의 내구성을 증대시키며, 낮은 변형저항을 갖도록 한다.

서큘러 스플라인(4)은 도 8에 도시된 바와 같이, 강체의 링 형상의 부품으로서, 플렉스 스플라인(3)이 위치하는 원형의 중공부(41)를 구비하고, 중공부(41)의 내벽 둘레에는 복수 개의 제2 내치(42)가 형성되고, 플렉스 스플라인(3)의 외치(32)는 제2 내치(42)와 맞물릴 수 있다.

한편, 서큘러 스플라인(4)의 제2 내치(42)의 치수는 플렉스 스플라인(3)의 외치(32)의 치수보다 작으며, 예를 들면 2매 또는 3매가 작을 수 있다.

이하에서는, 도 9를 참조하여, 상술한 구성을 가진 본 발명의 한 실시예에 따른 하모닉 드라이브의 작용에 대하여 설명한다.

도 9는 도 3의 하모닉 드라이브가 구동되는 상태를 순차적으로 나타낸 도면이다. 예시적으로, 유성기어(2)가 2개, 플렉스 스플라인(3)의 외치의 치수는 98개, 서큘러 스플라인(4)의 내치의 치수는 100개이며, 썬기어(1)의 직경은 φ5.00, 유성기어(2)의 직경은 φ12.50, 플렉스 스플라인(3)의 직경은 φ30.00 인 경우이다.

먼저, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 유성기어(2)에 의해 플렉스 스플라인(3)은 타원형으로 탄성 변형되고, 플렉스 스플라인(3)의 일부 외치는 서큘러 스플라인(4)의 내치와 맞물린다.

다음, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 입력축(모터축)에 연결된 썬기어(1)가 일 방향(예컨대, 시계방향)으로 회전하면, 이에 연동하여 한 쌍의 유성기어(2)는 반시계방향으로 회전하면서, 썬기어(1)를 중심으로 시계방향으로 이동한다(공전). 이때, 플렉스 스플라인(230)은 탄성 변형되면서 계속해서 반시계방향으로 감속된 상태로 회전된다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 플렉스 스플라인(230)의 포지션(P)이 서큘러 스플라인(4)의 기준점(Q)에 상대적으로 반시계방향으로, 소정의 각도만큼 이동되는 것을 확인할 수 있다.

다음, 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이, 썬기어(1)의 회전에 따라 한 쌍의 유성기어(2)가 썬기어(1)를 중심으로 180°공전하는 동안, 플렉스 스플라인(3)은 서큘러 스플라인(4)에 대해 상대적으로 반시계 방향으로 치수 1매분만큼 회전한다.

또한, 도 9의 (d)에 도시된 바와 같이, 썬기어(1)의 회전에 따라 한 쌍의 유성기어(2)가 썬기어(1)를 중심으로 360°공전하면, 플렉스 스플라인(3)은 서큘러 스플라인(4)에 대해 상대적으로 반시계 방향으로 치수 2매분만큼 회전한다.

이와 같이, 도 9에 예시된 본 하모닉 드라이브의 한 실시예의 경우, 한 쌍의 유성기어(2)가 썬기어(1)를 중심으로 50회 공전하면, 플렉스 스플라인(3)은 서큘러 스플라인(4)에 대해 상대적으로 1회전 하게 된다. 또한, 썬기어(입력축)(1)의 회전수 대비 플렉스 스플라인(출력축)(3)의 최종 감속비는 1/300 이 된다.

한편, 최종 감속비는 썬기어(1), 유성기어(2), 그리고 플렉스 스플라인(3)의 직경의 상대적인 비율을 적절히 조절함으로써, 다양한 최종 감속비를 얻을 수 있게 된다. 예컨대, 썬기어(1)의 직경은 φ7.50, 유성기어(2)의 직경은 φ11.25, 플렉스 스플라인(3)의 직경은 φ30.00 인 경우, 최종 감속비 1/200 을 얻을 수 있다. 또한, 썬기어(1)의 직경은 φ15, 유성기어(2)의 직경은 φ7.5, 플렉스 스플라인(3)의 직경은 φ30.00 인 경우, 최종 감속비 1/100 을 얻을 수 있다.

도 10에는 본 발명에 다른 실시예에 따른 하모닉 드라이브(200)가 도시되어 있다. 본 하모닉 드라이브(200)는, 유성기어(2)의 개수가 3개이고, 플렉스 스플라인(3)의 외치의 치수는 97개, 서큘러 스플라인(4)의 내치의 치수는 100개인 점에서 상술한 하모닉 드라이브(100)와 차이가 있으며, 나머지 구성 및 작용은 동일하다.

그리고 최종 감속비는, 예컨대, 썬기어(1)의 직경은 φ5.00, 유성기어(2)의 직경은 φ12.50, 플렉스 스플라인(3)의 직경은 φ30.00 인 경우, 1/200 을 얻을 수 있다. 마찬가지로, 최종 감속비는 썬기어(1), 유성기어(2), 그리고 플렉스 스플라인(3)의 직경의 상대적인 비율을 적절히 조절함으로써, 다양한 최종 감속비를 얻을 수 있다.

도 11에는 본 발명에 또 다른 실시예에 따른 하모닉 드라이브(300)가 도시되어 있다. 본 하모닉 드라이브(300)는, 유성기어(2)의 개수가 4개이고, 플렉스 스플라인(3)의 외치의 치수는 96개, 서큘러 스플라인(4)의 내치의 치수는 100개인 점에서 상술한 하모닉 드라이브(100)와 차이가 있으며, 나머지 구성 및 작용은 동일하다.

최종 감속비는, 예컨대, 썬기어(1)의 직경은 φ5.00, 유성기어(2)의 직경은 φ12.50, 플렉스 스플라인(3)의 직경은 φ30.00 인 경우, 1/150 을 얻을 수 있다. 마찬가지로, 최종 감속비는 썬기어(1), 유성기어(2), 그리고 플렉스 스플라인(3)의 직경의 상대적인 비율을 적절히 조절함으로써, 원하는 최종 감속비를 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1...썬기어
2...유성기어
3...플렉스 스플라인
31...제1 내치(內齒), 32...외치(外齒)
33...만곡부, 331...홈
41...중공부, 42...제2 내치
5...캐리어

Claims (8)

1. 입력축에 연결된 썬기어(sun gear),
   상기 썬기어와 기어 결합하는 2개 이상의 유성기어(planetary gear),
   탄성체 소재로 이루어지고, 복수 개의 제1 내치와 복수 개의 외치를 구비하며, 상기 유성기어의 기어치가 상기 제1 내치에 맞물리는 플렉스 스플라인(flex spline), 그리고
   상기 플렉스 스플라인이 위치하는 원형의 중공부를 구비하고, 상기 중공부의 내벽 둘레에는 복수 개의 제2 내치가 형성되고, 상기 플렉스 스플라인의 외치는 상기 제2 내치와 맞물리는 서큘러 스플라인(circular spline)
   을 포함하며,
   상기 플렉스 스플라인은 일단이 개방된 얇은 두께의 컵형상이고, 상기 제1 내치와 상기 외치가 끝나는 부위에, 외벽 쪽으로 만곡부가 형성되도록 내벽에 곡선 형상의 홈이 형성된
   하모닉 드라이브.
2. 제1항에서,
   상기 서큘러 스플라인의 제2 내치의 치수(齒數)는 상기 플렉스 스플라인의 외치의 치수(齒數)보다 많은 하모닉 드라이브.
3. 제1항에서,
   상기 입력축은 구동모터의 축에 해당하고, 상기 썬기어는 상기 구동모터의 축의 말단부에 형성된 하모닉 드라이브.
4. 제1항에서,
   2개 이상의 상기 유성기어는 상기 썬기어를 중심으로 동일 각도로 떨어지게 배치된 하모닉 드라이브.
5. 제1항에서,
   상기 플렉스 스플라인의 복수 개의 제1 내치와 복수 개의 외치는 동일한 치수(齒數)를 가지는 하모닉 드라이브.
6. 제1항에서,
   상기 유성기어는 그 중심에 관통홀을 구비하고,
   상기 하모닉 드라이브는 캐리어를 더 포함하며,
   상기 캐리어는,
   상기 유성기어의 관통홀을 관통하는 지지바, 그리고
   상기 지지바의 양단에 각각 고정된 상판 및 하판
   을 구비하며,
   상기 유성기어는 상기 상판 및 상기 하판 사이에 위치하는
   하모닉 드라이브.
7. 제6항에서,
   상기 지지바와 상기 유성기어의 관통홀 사이에는 슬리브 또는 베어링이 구비되는 하모닉 드라이브.
8. 삭제

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