KR102403620B1 - 롤러베어링식 파동발생기를 구비한 파동기어장치 - Google Patents

롤러베어링식 파동발생기를 구비한 파동기어장치 Download PDF

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Abstract

파동기어장치(1)의 파동발생기(4)는, 플러그(40)의 타원모양 외주면(42)과 외치기어(3)의 내주면(36a) 사이에 장착된 복수 개의 롤러(51)를 구비하고 있다. 플러그(40)에는, 타원모양 외주면(42)을 따라 오목부(43)가 형성되어 있다. 오목부(43)는, 외치기어(3)의 다이어프램(32)측을 향하는 플러그(40)의 제1끝면(44)으로 개구되어 있다. 플러그(40)의 반경방향의 강성은, 플러그 축선(4a) 방향에 있어서 제1끝면(44)측이 상대적으로 낮다. 플러그 축선(4a) 방향을 따라 보았을 경우에, 각 롤러(51)를, 타원 모양으로 휘어진 외치기어(3)의 장축(Lmax) 위치에 있어서 부분적인 접촉상태가 되지 않도록 외치기어(3)의 내주면에 선접촉시킬 수 있다.

Description

롤러베어링식 파동발생기를 구비한 파동기어장치
본 발명은, 롤러베어링식 파동발생기(roller bearing式 波動發生器)를 구비한 컵형(cup型) 혹은 실크햇형(silk hat型)의 파동기어장치(波動gear裝置)에 관한 것이다.
컵 형상의 외치기어(外齒gear)를 구비한 컵형의 파동기어장치 혹은 실크햇 형상의 외치기어(外齒gear)를 구비한 실크햇형의 파동기어장치에 있어서, 외치기어는, 그 외치형성부분이 파동발생기(波動發生器)에 의하여 타원 모양으로 휘어지면, 3차원의 휘어진 상태가 생긴다. 도4(a)는 컵 형상의 외치기어를 타원 모양으로 휘어지게 한 상황을 과장하여 나타내는 설명도이다. 이 도면에 있어서, 실선은 변형 전의 상태, 1점쇄선은 타원의 장축(長軸)을 포함하는 단면(斷面) 상의 변형상태, 2점쇄선은 단축(短軸)을 포함하는 단면 상의 변형상태이다.
외치기어(100)는, 그 개구단(開口端)(101)측의 외치형성부분(102)이 파동발생기(도시하지 않음)에 의하여 타원 모양으로 휘어진다. 외치기어(100)의 휨량은, 그 개구단(101)으로부터 다이어프램(diaphragm)(103)에 걸쳐서, 개구단(101)으로부터의 거리에 대략 비례하여 변화된다. 원통(圓筒) 형상의 외치형성부분(102)은, 타원 형상의 장축측에서는 1점쇄선으로 나타내는 바와 같이 반경방향의 외측방향으로 휘어지고, 타원 형상의 단축측에서는 2점쇄선으로 나타내는 바와 같이 반경방향의 내측방향으로 휘어진다.
외치형성부분(102)은, 그 원주방향의 각 위치에 있어서, 파동발생기의 회전에 따라 1점쇄선으로 나타내는 위치에서부터 2점쇄선으로 나타내는 위치까지의 사이를 반복하여 반경방향으로 휘어진다. 파동발생기의 회전에 따라 발생하는 외치기어의 3차원의 휘어진 상태는 「코닝(coning)」이라고 불리고 있고, 이 휘어진 상태의 형상은 「코닝 형상」이라고 부르고 있다.
파동기어장치의 파동발생기로서, 롤러베어링(roller bearing)을 사용한 파동발생기가 알려져 있다. 이 경우에는, 도4(b)∼도4(d)에 나타내는 바와 같이 파동발생기(107)의 외주부분(108)은, 각 롤러(roller)(109)에 의하여 중심축선의 방향과 평행하게 지지된다. 도4(b)는 장축위치의 상태를 나타내는 설명도이고, 도4(c)는 장축위치와 단축위치 사이의 중간위치의 상태를 나타내는 설명도이고, 도4(d)는 단축위치의 상태를 나타내는 설명도이다. 도4(c)의 중간위치인 경우를 제외하고, 도4(b)의 장축위치인 경우 및 도4(d)의 단축위치인 경우에는, 파동발생기(107)의 외주부분(108)은 외치형성부분(102)의 코닝 형상에 추종할 수 없다.
이 때문에, 롤러베어링(106)을 사용한 파동발생기(107)의 외주면은, 외치기어(100)의 타원 형상의 장축 상에서는 도4(b)에 화살표로 나타내는 바와 같이 다이어프램측으로 접촉부위가 치우치고, 단축 상에서는 도4(d)에 화살표로 나타내는 바와 같이 개구측으로 접촉부위가 치우친다. 특히 외치기어(100)가 내치기어에 맞물리는 장축위치 부근에 있어서는, 레이디얼 하중(radial 荷重)에 의하여 강한 가압력을 따르는 부분적인 접촉상태가 생긴다. 이 결과, 파동기어장치의 중요특성인 각도전달오차, 위치결정정밀도가 악화된다. 또한 파동기어장치의 단수명(短壽命), 마모도 염려된다.
본 발명자는, 특허문헌1에 있어서, 컵 형상 혹은 실크햇 형상의 외치기어의 3차원의 휘어진 상태로 추종할 수 있는, 롤러베어링을 사용한 파동발생기 및 당해 파동발생기를 사용한 파동기어장치를 제안하고 있다. 이 파동기어장치에 있어서는, 파동발생기의 강성 플러그(剛性 plug)의 타원모양 외주면의 둘레 길이를 지지한 채, 당해 타원모양 외주면을, 장축위치 및 단축위치에 있어서 플러그 축선방향으로 역 테이퍼(逆 taper)가 형성된 형상으로 하고 있다. 이에 따라 롤러베어링의 각 롤러를, 외치기어의 내주면에 대하여, 그 휘어진 형상을 따른 상태로 접촉시키도록 하고 있다.
: 국제공개 제2016/079876호 공보
상기와 같이 롤러베어링을 사용한 파동발생기의 외주면은, 외치기어(100)의 타원 형상의 장축 상에서는, 도4(b)에 화살표로 나타내는 바와 같이 다이어프램측으로 치우친 위치에 있어서, 강한 가압력에 의하여 외치기어(100)의 외치형성부분(102)에 접촉된다. 따라서 외치기어가 내치기어에 맞물리는 장축위치 부근에 있어서, 파동발생기의 외주면과 외치기어의 내주면 사이에 부분적인 접촉상태가 생기지 않도록 할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 파동발생기의 플러그의 타원모양 외주면을 테이퍼 형상으로 하지 않고, 타원 모양으로 휘어진 외치기어가 내치기어에 맞물리는 장축위치 부근에 있어서, 롤러베어링의 각 롤러를 외치기어의 내주면에 대하여 부분적인 접촉이 없는 상태로 적절하게 접촉시킬 수 있는 롤러베어링식 파동발생기를 구비한 파동기어장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 컵 형상 혹은 실크햇 형상을 한 가요성의 외치기어가, 롤러베어링식 파동발생기에 의하여 타원 모양으로 휘어져서, 강성의 내치기어에 부분적으로 맞물려 있는 파동기어장치에 있어서, 파동발생기는, 타원모양 외주면을 구비한 플러그와, 플러그의 타원모양 외주면과 외치기어의 원통모양 몸통부의 내주면 사이에 장착되고 외치기어를 플러그에 대하여 상대회전할 수 있는 상태로 지지하고 있는 롤러베어링을 구비하고 있고, 플러그에는, 타원모양 외주면을 따라 원환 모양 혹은 타원 모양으로 연장되는 오목부(두께가 얇음)가 형성되어 있다. 또한 오목부는, 플러그 축선방향 양측의 끝면을 제1, 제2끝면이라고 하면, 외치기어의 다이어프램측을 향하는 제1끝면으로 개구되고, 플러그의 반경방향으로 소정의 폭을 갖고, 제1끝면으로부터 제2끝면을 향하여 소정의 깊이를 갖고 있다.
파동발생기의 플러그의 타원모양 외주면에 의하여, 외치기어에 있어서의 외치가 형성되어 있는 원통모양 몸통부가 타원 모양으로 휘어진다. 플러그의 반경방향의 강성은, 플러그 축선방향에 있어서, 오목부가 개구되어 있는 제1끝면측이 상대적으로 낮고, 제2끝면측이 상대적으로 높다. 플러그 축선방향의 강성의 차이를 이용하여, 축선방향을 따라 보았을 경우에, 롤러베어링의 각 롤러를, 타원 모양으로 휘어진 외치기어의 장축위치에 있어서 부분적인 접촉상태가 되지 않도록, 외치기어의 내주면에 선접촉시킬 수 있다.
여기에서 롤러베어링의 롤러로서 원통 형상 또는 컵 형상의 롤러를 사용할 수 있다. 컵 형상의 롤러를 사용하는 경우에는, 각 롤러를, 그 컵 형상의 개구단이 외치기어의 다이어프램측을 향하는 상태로 배열한다. 각 롤러의 직경방향의 강성은, 그 축선방향을 따라 보았을 경우에, 개구단측이 상대적으로 낮고, 반대측의 끝이 상대적으로 높다. 각 롤러의 축선방향의 강성의 차이를 이용하여, 각 롤러를, 타원 모양으로 휘어진 외치기어의 장축위치에 있어서 부분적인 접촉상태가 되지 않도록, 외치기어의 내주면에 선접촉시킬 수 있다.
또 롤러베어링에, 각 롤러를 둘레방향에 있어서 등각도 간격의 위치에 지지하기 위한 리테이너가 구비되어 있는 경우가 있다. 이 경우에, 리테이너의 축선방향의 이동을 저지하기 위한 리테이너 제한부로서, 플러그의 타원모양 외주면의 가장자리 단부에 큰 지름의 돌출부를 형성하는 경우가 있다. 플러그의 타원모양 외주면에 있어서의 제1끝면측의 가장자리 단부를 따라 큰 지름의 돌출부를 형성하는 경우에는, 돌출부를 형성한 것에 기인하는 제1끝면측의 반경방향의 강성의 증가를 억제할 수 있도록, 돌출부를 적절하게 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면 돌출부에, 원주방향을 따라 등각도 간격으로 원호 모양의 노치부분을 형성하여, 돌출부의 반경방향의 강성을 낮게 한다. 이에 따라 플러그에 돌출부를 형성하는 것에 기인하는 플러그의 반경방향의 강성의 증가를 억제할 수 있다.
[도1] (a)는 본 발명의 실시형태에 관한 컵형의 파동기어장치의 개략적인 끝면도이고, (b)는 그 개략적인 단면도이다.
[도2] (a)는 파동발생기의 플러그의 개략적인 끝면도이고, (b)는 그 개략적인 단면도이다.
[도3] 타원 모양으로 휘어진 외치기어의 장축위치에 있어서, 외치기어와 파동발생기의 접촉상태를 나타내기 위한 설명도이다.
[도4] (a)는 컵형의 파동기어장치의 휘어진 상태를 나타내는 설명도이고, (b)∼(d)는 각각 파동발생기와 외치기어의 접촉상태를 나타내는 설명도이다.
이하에, 도면을 참조하여, 본 발명을 적용한 파동기어장치(波動gear裝置)의 실시형태를 설명한다.
도1(a)는 실시형태에 관한 컵형(cup型)의 파동기어장치의 개략적인 끝면도이고, 도1(b)는 그 개략적인 종단면도이다. 컵형의 파동기어장치(1)는, 환상(環狀)의 강성(剛性)인 내치기어(內齒gear)(2)와, 그 내측에 동심(同心) 모양으로 배치된 컵 형상을 한 가요성(可撓性)의 외치기어(外齒gear)(3)와, 그 내측에 끼워진 타원형 윤곽의 파동발생기(波動發生器)(4)를 구비하고 있다.
외치기어(3)는, 원통모양 몸통부(31)와, 원통모양 몸통부(31)의 축선방향의 일방(一方)의 끝에 연속되어 있는 환상의 다이어프램(diaphragm)(32)과, 이 다이어프램(32)의 중심부분에 일체로 형성되어 있는 원반(圓盤) 모양의 보스(boss)(33)와, 원통모양 몸통부(31)의 축선방향의 타방(他方)의 끝인 개구단(開口端)(34)측의 외주면 부분에 형성된 외치(外齒)(35)를 구비하고 있다. 원통모양 몸통부(31)에 있어서의 외치(35)가 형성되어 있는 외치형성부분(36)은, 파동발생기(4)에 의하여 타원 모양으로 휘어지고, 그 장축(長軸)(Lmax) 상 및 장축 부근에 위치하는 외치(35)가 내치기어(2)의 내치(內齒)(25)에 맞물려 있다.
파동발생기(4)는, 강성의 플러그(plug)(40)와, 이 플러그(40)의 타원모양 외주면(42)에 장착된 롤러베어링(roller bearing)(50)을 구비하고 있다. 플러그(40)는, 롤러베어링(50)을 통하여 외치기어(3)의 외치형성부분(36)을 상대회전(相對回轉)시킬 수 있는 상태로 지지하고 있다. 모터 등에 의하여 파동발생기(4)를 회전시키면, 양 기어(2, 3)의 맞물림 위치가 원주방향으로 이동된다. 양 기어(2, 3)의 톱니 수 차이는 2n매(n은 양의 정수(整數))가 되고, 파동발생기(4)가 1회전하는 사이에, 양 기어(2, 3)의 사이에는 톱니 수 차이에 대응하는 각도의 상대회전이 생긴다.
도2(a)는 파동발생기(4)의 플러그(40)를 나타내는 개략적인 끝면도이고, 도2(b)는 도2(a)의 b―b선으로 절단한 부분의 개략적인 단면도이다. 도1, 도2를 참조하여 설명하면, 파동발생기(4)의 플러그(40)는, 원환(圓環) 모양의 플러그 본체부(41)를 구비하고 있고, 플러그 본체부(41)의 외주면에 타원모양 외주면(42)이 형성되어 있다. 플러그 본체부(41)에는, 타원모양 외주면(42)을 따라 연장되는 원환 모양 혹은 타원 모양의 오목부(43)(두께가 얇은 부분)가 형성되어 있다.
여기에서, 플러그 본체부(41)에 있어서의 플러그 축선(4a) 방향의 일방의 끝면을 제1끝면(44)이라고 하고, 타방의 끝면을 제2끝면(45)이라고 한다. 제1끝면(44)은, 외치기어(3)에 파동발생기(4)를 장착한 상태에 있어서 다이어프램(32)측을 향하는 끝면이다. 오목부(43)는, 제1끝면(44)에 있어서 타원모양 외주면(42)으로부터 반경방향의 내측으로 떨어진 위치에 개구(開口)되어 있다. 오목부(43)는 반경방향으로 일정한 폭을 구비하고, 제1끝면(44)으로부터 제2끝면(45)을 향하여 일정한 깊이를 구비하고 있다. 플러그 본체부(41)는, 제1끝면(44)측의 부분이 반경방향에 있어서 오목부(43)에 의하여 분단(分斷)되어 있고, 제2끝면(45)측의 부분은 반경방향으로 연결된 채로 되어 있다. 따라서 타원모양 외주면(42)이 형성되어 있는 플러그 외주측 부분에 있어서, 제1끝면(44)측의 부분(44a)은 오목부(43)에 의하여 반경방향의 두께가 얇은 박육부분(薄肉部分)으로 되어 있고, 제2끝면(45)측의 부분(45a)은 후육부분(厚肉部分)으로 되어 있다. 바꾸어 말하면, 플러그 본체부(41)의 반경방향의 강성(剛性)은, 플러그 축선(4a)의 방향에 있어서, 박육부분(44a)이 형성되어 있는 제1끝면(44)측이 상대적으로 낮고, 후육부분(45a)이 형성되어 있는 제2끝면(45)측이 상대적으로 높다.
플러그 본체부(41)의 타원모양 외주면(42)에 장착되어 있는 롤러베어링(50)은, 다수 개의 롤러(51)와, 리테이너(retainer)(52)와, 리테이너 제한부(46)를 구비하고 있다. 롤러(51)는, 플러그(40)의 타원모양 외주면(42)과 외치기어(3)의 외치형성부분(36)의 내주면(36a)의 사이에 전동(轉動)할 수 있는 상태로 장착되어 있다. 각 롤러(51)는, 롤러 축선방향의 일방의 끝이 봉쇄(封鎖)되고, 타방의 끝이 개구단(51a)으로 되어 있는 원통 형상의 롤러, 즉 컵 형상의 롤러이다. 각 롤러(51)는, 개구단(51a)이 외치기어(3)의 다이어프램측을 향하도록 배열되어 있다. 롤러(51)로서 양단(兩端)이 봉쇄된 원통 형상의 롤러를 사용할 수도 있다.
리테이너(52)는, 각 롤러(51)를 원주방향에 있어서 등각도(等角度) 간격의 위치에서 지지하고 있다. 리테이너(52)는, 일반적인 구조의 것이고, 원환부(圓環部)(52a)와, 원환부(52a)의 원환모양 끝면으로부터 등각도 간격으로 축선방향으로 연장되는 칸막이부(52b)를 구비하고, 인접하는 칸막이부(52b)의 사이에 롤러 삽입용의 포켓(pocket)이 형성되어 있다. 리테이너 제한부(46)는, 리테이너(52)가 롤러(51)로부터 축선방향으로 벗어나지 않도록 그 축선방향의 이동을 규제한다.
본 예의 리테이너 제한부(46)는, 플러그 본체부(41)의 타원모양 외주면(42)에 있어서의 제1끝면(44)측의 가장자리 단부(端部)에 일체로 형성된 돌출부이다. 리테이너 제한부(46)에는, 가장자리 단부를 따라 등각도 간격으로 노치부(notch部)(47)가 형성되어 있다. 노치부(47)는, 일정한 폭과 일정한 깊이의 원호 형상을 하고 있다. 노치부(47)를 형성함으로써, 리테이너 제한부(46)를 플러그 본체부(41)에 일체로 형성한 것에 기인하여 플러그의 제1끝면(44)측에 있어서의 반경방향의 강성의 증가가 억제된다.
도3은, 타원 모양으로 휘어진 외치기어(3)의 장축(Lmax)(도1을 참조)의 위치에 있어서, 외치기어(3)와 파동발생기(4)의 접촉상태를 나타내는 설명도이다. 장축(Lmax)의 위치에 있어서는, 외치기어(3)는 코닝에 의하여, 롤러베어링(50)의 롤러(51)에 대하여 그 다이어프램(32)측의 부분을 강하게 누를 수 있다. 롤러(51)를 지지하고 있는 플러그 본체부(41)에는 오목부(43)가 형성되어 있다. 플러그 본체부(41)의 타원모양 외주면(42)이 형성되어 있는 외주측 부분은, 플러그 축선(4a)의 방향에 있어서의 제1끝면(44)측의 부분의 강성이 상대적으로 낮다.
외치기어(3)측으로부터의 부하토크(負荷torque)에 기인하는 레이디얼 하중(radial 荷重)에 의하여, 플러그 본체부(41)의 외주측 부분에 있어서의 제1끝면(44)측(다이어프램(32)측)의 박육부분(44a)이 반경방향의 내측방향으로 약간 변형된다. 외치기어(3)의 외치형성부분(36)이 휘어지는 형상을 따른 형상이 되도록, 플러그 본체부(41)의 타원모양 외주면(42)도 변형된다. 외치기어(3)의 외치형성부분(36)과 플러그 본체부(41)의 타원모양 외주면(42) 사이에 있어서, 외치기어(3)의 내주면(36a) 및 플러그(40)의 타원모양 외주면(42)의 쌍방에 대하여, 롤러(51)는 부분적인 접촉상태가 되지 않고, 선접촉상태(線接觸狀態)가 된다.
또한 장축 부근에 있어서는, 롤러(51)에 접촉되어 있는 플러그(40)의 타원모양 외주면(42)이 변형되어, 당해 타원모양 외주면(42)에 있어서의 롤러(51)에 선접촉되는 부분의 등가곡률반경(等價曲率半徑)이 커지게 된다. 이에 따라 헤르츠 응력(Hertz 應力)의 저하도 바랄 수 있다.
또 플러그 본체부(41), 롤러(51)는, 강(鋼), 비철금속, 플라스틱 등의 각종 재료로 제조할 수 있다. 플러그 본체부(41)에 형성되는 오목부(43)의 형상, 롤러(51)의 컵 형상은, 이들 재료의 기계적 특성, 외치기어와 파동발생기의 사이에 생기는 레이디얼 하중 등에 따라 적절하게 설정하면 좋다.

Claims (4)

  1. 강성(剛性)의 내치기어(內齒gear)와,
    상기 내치기어의 내측에 동축(同軸)으로 배치된 가요성(可撓性)의 외치기어(外齒gear)와,
    상기 외치기어의 내측에 동축으로 배치되고, 상기 외치기어를 타원 모양으로 휘어지게 하여 상기 내치기어에 부분적으로 맞물리게 하고 있는 파동발생기(波動發生器)를
    구비하고 있고,
    상기 외치기어는,
    반경방향으로 휘어질 수 있는 원통모양 몸통부와,
    상기 원통모양 몸통부의 일방(一方)의 끝으로부터 반경방향의 외측방향 혹은 내측방향으로 연장되는 다이어프램(diaphragm)과,
    상기 원통모양 몸통부의 타방(他方)의 끝측의 외주면 부분에 형성된 외치(外齒)를
    구비하고 있고,
    상기 파동발생기는,
    타원모양 외주면을 구비한 플러그(plug)와,
    상기 플러그의 상기 타원모양 외주면과 상기 외치기어의 상기 원통모양 몸통부의 내주면 사이에 장착되고, 상기 외치기어를 상기 플러그에 대하여 상대회전시킬 수 있는 상태로 지지하고 있는 롤러베어링(roller bearing)을
    구비하고 있고,
    상기 플러그에는, 상기 타원모양 외주면을 따라 원환 모양 혹은 타원 모양으로 연장되는 오목부가 형성되어 있고,
    상기 오목부는, 플러그 축선방향의 양측(兩側)의 끝면을 제1, 제2끝면이라고 하면, 상기 다이어프램측을 향하는 제1끝면으로 개구(開口)되고, 상기 플러그의 반경방향으로 소정의 폭을 갖고, 상기 제1끝면으로부터 상기 제2끝면을 향하여 소정의 깊이를 갖고 있는
    파동기어장치(波動gear裝置).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 롤러베어링은 컵(cup) 형상의 롤러(roller)를 구비하고 있고,
    상기 롤러는, 상기 컵 형상의 개구단(開口端)이 상기 다이어프램측을 향하는 상태로 배열되어 있는
    파동기어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 롤러베어링의 롤러는, 상기 플러그의 상기 타원모양 외주면 및 상기 외치기어의 상기 원통모양 몸통부의 내주면의 각각에 직접적으로 접촉하는 상태로 배열되어 있는 파동기어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 롤러베어링은, 상기 롤러를 일정한 각도 간격으로 지지하는 리테이너(retainer)를 구비하고 있고,
    상기 플러그에는, 상기 타원모양 외주면의 가장자리 단부(端部)를 따라 상기 리테이너의 축선방향의 이동을 구속하는 돌출부가 일체로 형성되어 있고,
    상기 돌출부에는, 상기 가장자리 단부를 따라 등각도(等角度) 간격으로 노치부(notch部)가 형성되어 있는
    파동기어장치.
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