KR20160008615A - 파동 기어 장치 - Google Patents

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KR20160008615A
KR20160008615A KR1020157035398A KR20157035398A KR20160008615A KR 20160008615 A KR20160008615 A KR 20160008615A KR 1020157035398 A KR1020157035398 A KR 1020157035398A KR 20157035398 A KR20157035398 A KR 20157035398A KR 20160008615 A KR20160008615 A KR 20160008615A
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유야 무라야마
요시히데 키요사와
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Abstract

본 발명의 파동 기어 장치(1)의 외치 기어(4)는, 정지측의 제 1 내치(2a)에 맞물림 가능한 제 1 외치(7)와, 구동측의 제 2 내치(3a)에 맞물림 가능한 제 2 외치(8)를 구비하고, 제 1, 제 2 외치(7, 8)의 톱니 수(Zf1, Zf2)가 다르다. 제 1 내치(2a)의 톱니 수(Zc1)는 제 1 외치(7)의 톱니 수(Zf1)보다 많다. 제 2 내치(3a)의 톱니 수(Zc2)는 제 2 외치(8)의 톱니 수(Zf2)보다 적다. 톱니 수가 다른 제 1, 제 2 외치(7, 8)를 구비한 외치 기어(4)를 이용하여, 속도비(速比)가 30 미만인 저(低)감속비의 파동 기어 장치를 실현할 수가 있다.

Description

파동 기어 장치{STRAIN WAVE GEAR DEVICE}
본 발명은, 한 쌍의 내치(內齒) 기어, 반경 방향으로 휨 가능한 원통 형상의 외치(外齒) 기어, 및, 파동 발생기를 구비한 파동 기어 장치에 관한 것이다.
플랫(flat)형의 파동 기어 장치는, 일반적으로, 회전하지 않도록 고정되는 정지측 내치 기어와, 회전 입력 요소인 파동 발생기와, 감속 회전 출력 요소인 구동측 내치 기어와, 정지(靜止)측 내치 기어 및 구동측 내치 기어에 맞물림 가능하며 반경 방향으로 휨 가능한 원통 형상의 외치 기어를 구비하고 있다. 전형적인 파동 기어 장치에서는, 외치 기어는 타원 형상으로 휘어져 정지측 및 구동측의 내치 기어에 대해 타원 형상의 장축(長軸)의 양단(兩端)의 위치에서 맞물려 있다.
특허문헌 1에는, 정지측 내치 기어의 톱니 수가 외치 기어보다 2개 많고, 구동측 내치 기어의 톱니 수가 외치 기어와 동일한 일반적인 파동 기어 장치가 기재되어 있다. 외치 기어에서는, 정지측 내치 기어에 맞물리는 외치 부분과 구동측 내치 기어에 맞물리는 외치 부분이 치폭(齒幅) 방향으로 이분(二分)되어 있다. 파동 발생기가 회전하면, 외치 기어가, 정지측 내치 기어와의 톱니 수의 차에 따른 속도비(速比, speed ratio)로 감속(減速) 회전한다. 외치 기어와 일체로 회전하는 구동측 내치 기어로부터, 외치 기어의 감속 회전이 출력된다.
파동 기어 장치는, 큰 감속비를 얻을 수 있고, 백래시(backlash)가 없으며 응답성이 양호하다는 특징을 가지고 있다. 그러나, 경우에 따라, 저(低)감속비의 파동 기어 감속기가 요망되는 경우가 있다. 파동 기어 장치에서는, 속도비를 작게 하면, 외치 기어의 반경 방향으로의 휨량도 많아진다. 외치 기어가 휘면서 내치 기어에 맞물리는 등의 파동 기어 감속기의 기계적 특성, 기계적 성능 등을 고려하여, 일반적으로 파동 기어 감속기의 속도비는 50 이상으로 되어 있어, 30 미만, 예컨대 20~15 정도의 낮은 속도비를 얻기가 곤란하다.
특허문헌 2에는, 정지측 내치 기어의 톱니 수가 외치 기어보다 2개 많고, 구동측 내치 기어의 톱니 수가 외치 기어보다 2개 적은 파동 기어 장치가 기재되어 있다. 상기 파동 기어 장치에서는, 파동 발생기가 회전하면, 외치 기어가, 정지측 내치 기어와의 톱니 수의 차에 따른 속도비로 감속 회전한다. 외치 기어의 회전은, 상기 외치 기어와 구동측 내치 기어 사이의 톱니 수의 차에 따른 속도비로 증속(增速)되어, 구동측 내치 기어로부터 출력된다. 구동측 내치 기어로부터 출력되는 회전은, 파동 발생기에 대한 입력 회전에 대하여, 속도비 50보다 작은 속도비로 감속된 감속 회전이 된다.
일본 특허공개공보 2011－112214호 일본 특허공개공보 H02－275147호
본 발명의 과제는 30 미만의 낮은 속도비를 용이하게 실현할 수 있는 파동 기어 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 파동 기어 장치는,
제 1 내치가 형성되어 있는 강성(剛性)의 제 1 내치 기어와,
상기 제 1 내치 기어에 동축으로 병렬 배치되며, 제 2 내치가 형성되어 있는 강성의 제 2 내치 기어와,
상기 제 1, 제 2 내치 기어의 내측에 동축(同軸)으로 배치되며, 반경 방향으로 휨 가능한 원통체의 외주면에, 상기 제 1 내치에 맞물림 가능한 제 1 외치 및 상기 제 2 내치에 맞물림 가능하며 상기 제 1 외치와는 톱니 수가 다른 제 2 외치가 형성되어 있는 가요성(可撓性)의 외치 기어와,
상기 외치 기어를 반경 방향으로 휘게 하여, 상기 제 1 외치를 상기 제 1 내치에 부분적으로 맞물리게 하고, 상기 제 2 외치를 상기 제 2 내치에 부분적으로 맞물리게 하는 파동 발생기
를 가지고 있으며,
상기 제 1 외치의 톱니 수는 상기 제 1 내치의 톱니 수와는 다르고, 상기 제 2 외치의 톱니 수는 상기 제 2 내치의 톱니 수와는 다른,
것을 특징으로 하고 있다.
본 명세서에 있어서는, 휨 가능한 원통체의 외주면에, 톱니 수가 다른 제 1, 제 2 외치가 형성되어 있는 외치 기어를 구비한 파동 기어 장치를, 「듀얼(dual) 타입의 파동 기어 장치」라 부르는 것으로 한다.
본 발명의 듀얼 타입의 파동 기어 장치에 있어서, 제 1 내치의 톱니 수를 Zc1, 제 2 내치의 톱니 수를 Zc2, 제 1 외치의 톱니 수를 Zf1, 제 2 외치의 톱니 수를 Zf2로 하면, 제 1 내치 기어와 제 1 외치를 구비한 외치 기어 사이의 속도비(R1), 제 2 내치 기어와 제 2 외치를 구비한 외치 기어 사이의 속도비(R2), 및, 파동 기어 장치의 속도비(R)는, 각각 다음과 같이 나타내어진다.
R1=1/{(Zf1－Zc1)/Zf1｝
R2=1/{(Zf2－Zc2)/Zf2｝
R=(R1·R2－R1)/(－R1＋R2)
본 발명의 듀얼 타입의 파동 기어 장치에 의하면, 50 미만, 예컨대, 30보다 대폭 낮은 속도비를 얻을 수가 있다. 또, 종래와는 달리, 외치 기어의 외치로서, 톱니 수, 모듈이 다른 제 1 외치 및 제 2 외치가 형성되어 있다. 따라서, 속도비 설정을 위한 설계의 자유도가 높고, 낮은 속도비의 파동 기어 장치를 종래에 비해, 용이하게 실현할 수가 있다.
여기서, 일반적으로, 제 1 외치의 톱니 수(Zf1)는 제 1 내치의 톱니 수(Zc1)와는 다르고, 제 2 외치의 톱니 수(Zf2)는 제 2 내치의 톱니 수(Zc2)와는 다르다. 예컨대, 제 1 외치의 톱니 수(Zf1)를 제 1 내치의 톱니 수(Zc1)보다 적게 하고, 제 1 내치의 톱니 수(Zc1)와 제 2 내치의 톱니 수(Zc2)를 동일하게 할 수 있다.
또, 파동 발생기가 회전 입력 요소가 되고, 제 1 내치 기어 및 제 2 내치 기어 중, 일방(一方)이 회전하지 않도록 고정된 정지측 내치 기어가 되며, 타방(他方)이 감속 회전 출력 요소인 구동측 내치 기어가 된다.
외치 기어는, 파동 발생기에 의해, 타원 형상, 세 갈래(three-lobed)의 형상 등의 비(非)원형으로 휘어진다. 이로써, 외치 기어는, 강성의 내치 기어에 대하여, 원주(圓周) 방향으로 떨어진 복수의 위치에 있어서 맞물린다. 일반적으로는, 외치 기어는 타원 형상으로 휘어져, 원주 방향에 있어서 180도 떨어진 2개소(타원 형상의 장축의 양단 위치)에서 맞물린다. 이 경우에는, 제 1 외치의 톱니 수(Zf1)와 제 2 외치의 톱니 수(Zf2)의 차는, n을 정수(整數)로 하면, 2n개가 된다.
도 1은 본 발명을 적용한 듀얼 타입의 파동 기어 장치의 단면도, 종단면도 및 부분 확대 단면도이다.
도 2는 도 1의 듀얼 타입의 파동 기어 장치의 모식도이다.
이하에, 도면을 참조하여, 본 발명을 적용한 듀얼 타입의 파동 기어 장치의 실시형태를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 듀얼 타입의 파동 기어 장치(이하, 단순히 「파동 기어 장치」라 부른다.)를 나타내는 단면도, 종단면도 및 부분 확대 단면도이며, 도 2는 그 모식도이다. 파동 기어 장치(1)는, 예컨대 감속기로서 이용되며, 링 형상의 강성의 제 1 내치 기어(2)와, 링 형상의 강성의 제 2 내치 기어(3)와, 반경 방향으로 휨 가능한 원통 형상의 외치 기어(4)와, 타원형상 윤곽의 파동 발생기(5)를 구비하고 있다.
제 1, 제 2 내치 기어(2, 3)는, 중심축선(1a)의 방향으로, 근소한 틈새를 두고, 병렬 배치되어 있다. 제 1 내치 기어(2)는 회전하지 않도록 고정된 정지측 내치 기어이고, 그 제 1 내치(2a)의 톱니 수는 Zc1이다. 제 2 내치 기어(3)는 회전 가능한 상태로 지지된 구동측 내치 기어이며, 그 제 2 내치(3a)의 톱니 수는 Zc2이다. 제 2 내치 기어(3)는 파동 기어 장치(1)의 감속 회전 출력 요소이다.
외치 기어(4)는, 제 1, 제 2 내치 기어(2, 3)의 내측에 동축으로 배치되어 있다. 외치 기어(4)는, 반경 방향으로 휨 가능한 원통체(6)와, 상기 원통체(6)의 원형 외주면에 형성된 제 1 외치(7) 및 제 2 외치(8)를 구비하고 있다. 제 1 외치(7)는, 원통체(6)의 원형 외주면에 있어서, 중심축선(1a)의 방향에 있어서의 일방 측에 형성되고, 제 2 외치(8)는 타방 측에 형성되어 있다.
즉, 제 1 외치(7)는 제 1 내치(2a)에 대치(對峙)하는 측에 형성되고, 그 톱니 수는 Zf1이며, 제 1 내치(2a)에 맞물릴 수 있다. 제 2 외치(8)는 제 2 내치(3a)에 대치하는 측에 형성되고, 그 톱니 수는 Zf2이며, 제 2 내치(3a)에 맞물릴 수 있다. 이들의 톱니 수(Zf1, Zf2)는 다르다. 제 1 외치(7)와 제 2 외치(8)의 사이는, 중심축선(1a)의 방향에 있어서, 근소하게 떨어져 있다.
파동 발생기(5)는, 타원형상 윤곽의 강성 플러그(9)와, 상기 강성 플러그(9)의 타원형상 외주면에 장착된 웨이브 베어링(wave bearing; 10)을 구비하고 있다. 웨이브 베어링(10)은 반경 방향으로 휨 가능한 내외륜(內外輪)을 구비한 볼 베어링(ball bearing)이다. 파동 발생기(5)는 외치 기어(4)의 원통체(6)의 내주면에 끼워 넣어져 있으며, 외치 기어(4)를 타원형상으로 휘게 하고 있다. 타원형상으로 휘어진 외치 기어(4)는, 그 타원 형상의 장축(L1)의 양단 위치에 있어서, 제 1, 제 2 내치 기어(2, 3)에 맞물려 있다. 즉, 제 1 외치(7)가 장축(L1)의 양단 위치에 있어서 제 1 내치(2a)에 맞물려 있으며, 제 2 외치(8)가 장축의 양단 위치에 있어서 제 2 내치(3a)에 맞물려 있다.
파동 발생기(5)는 파동 기어 장치(1)의 입력 회전 요소이다. 상기 파동 발생기(5)의 강성 플러그(9)는 축 구멍(9a)을 구비하고 있으며, 여기에, 입력 회전축(11)(도 2 참조)이 동축으로 연결 고정된다. 예컨대, 모터 출력축이 연결 고정된다. 파동 발생기(5)가 회전하면, 외치 기어(4)의 제 1 외치(7)와 정지측의 제 1 내치(2a)의 맞물림 위치, 및, 외치 기어(4)의 제 2 외치(8)와 구동측의 제 2 내치(3a)의 맞물림 위치가 원주 방향으로 이동한다.
제 1 외치(7)의 톱니 수(Zf1)와 제 2 외치(8)의 톱니 수(Zf2)는 다르며, 본 예에서는 제 2 외치의 톱니 수(Zf2) 쪽이 많다. 또, 제 1 내치(2a)의 톱니 수(Zc1)는 제 1 외치(7)의 톱니 수(Zf1)와는 다르며, 본 예에서는, 제 1 내치(2a)의 톱니 수(Zc1) 쪽이 많다. 제 2 내치(3a)의 톱니 수(Zc2)와 제 2 외치(8)의 톱니 수(Zf2) 는 다르며, 본 예에서는, 제 2 내치(3a)의 톱니 수(Zc2) 쪽이 적다.
본 예에서는, 외치 기어(4)가 타원 형상으로 휘어져 원주 방향의 2개소에서 내치 기어(2, 3)에 맞물린다. 따라서, 제 1 외치(7)의 톱니 수(Zf1)와 제 2 외치(8)의 톱니 수(Zf2)의 차는, n0을 양의 정수로 하면, 2n0개이다. 마찬가지로, 제 1 내치(2a)의 톱니 수(Zc1)와 제 1 외치(7)의 톱니 수(Zf1)의 차는, n1을 양의 정수로 하면, 2n1개이다. 제 2 내치(3a)의 톱니 수(Zc2)와 제 2 외치(8)의 톱니 수(Zf2)의 차는, n2를 양의 정수로 하면, 2n2개이다.
Zf1=Zf2＋2n0
Zc1=Zf1＋2n1
Zc2=Zf2－2n2
구체적인 예로서, 각 톱니 수는 다음과 같이 설정된다(n0=n1=n2=1).
Zc1=62
Zf1=60
Zc2=62
Zf2=64
제 1 내치 기어(2)와 제 1 외치(7) 사이의 속도비(R1), 제 2 내치 기어(3)와 제 2 외치(8) 사이의 속도비(R2)는, 각각 다음과 같게 된다.
i1=1/R1=(Zf1－Zc1)/Zf1=(60－62)/60=－1/30
i2=1/R2=(Zf2－Zc2)/Zf2=(64－62)/64=1/32
따라서, R1=－30, R2=32가 얻어진다.
파동 기어 장치(1)의 속도비(R)는, 속도비(R1, R2)를 이용하여, 다음 식으로 나타내어진다. 따라서, 본 발명에 의하면, 대폭 작은 속도비(저감속비)의 파동 기어 장치를 실현할 수가 있다. (또한, 속도비의 마이너스 부호는, 출력 회전의 방향이 입력 회전의 방향과는 반대 방향인 것을 나타낸다.)
R=(R1·R2－R1)/(－R1＋R2)
=(－30×32＋30)/(30＋32)
=－930/62
=－15
(그 밖의 실시형태)
또한, 도 1, 도 2의 예에서는, 제 1 내치 기어(2)를 정지측 내치 기어, 제 2 내치 기어(3)를 구동측 내치 기어로 하고 있다. 반대로, 제 1 내치 기어(2)를 구동측 내치 기어, 제 2 내치 기어(3)를 정지측 내치 기어로 할 수도 있다.
또, 외치 기어(4)는, 파동 발생기(5)에 의해, 타원 형상 이외의 비원형 형상, 예컨대, 세 갈래의 형상 등의 비원형 형상으로 휘게 할 수가 있다. 비원형으로 휘어진 외치 기어와 내치 기어의 맞물림 개소의 수를 h(h：2 이상의 양의 정수)로 하면, 양 기어의 톱니 수의 차는, h·p(p：양의 정수)로 설정하면 된다.

Claims (4)

  1. 제 1 내치(內齒)가 형성되어 있는 강성(剛性)의 제 1 내치 기어와,
    상기 제 1 내치 기어에 동축(同軸)으로 병렬 배치되며, 제 2 내치가 형성되어 있는 강성의 제 2 내치 기어와,
    상기 제 1, 제 2 내치 기어의 내측에 동축으로 배치되며, 반경 방향으로 휨 가능한 원통체의 외주면에, 상기 제 1 내치에 맞물림 가능한 제 1 외치(外齒) 및 상기 제 2 내치에 맞물림 가능하며 상기 제 1 외치와는 톱니 수가 다른 제 2 외치가 형성되어 있는 가요성(可撓性)의 외치 기어와,
    상기 외치 기어를 반경 방향으로 휘게 하여, 상기 제 1 외치를 상기 제 1 내치에 부분적으로 맞물리게 하고, 상기 제 2 외치를 상기 제 2 내치에 부분적으로 맞물리게 하는 파동 발생기
    를 가지고 있으며,
    상기 제 1 외치의 톱니 수는 상기 제 1 내치의 톱니 수와는 다르고, 상기 제 2 외치의 톱니 수는 상기 제 2 내치의 톱니 수와는 다른,
    듀얼(dual) 타입의 파동 기어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 외치의 톱니 수는 상기 제 1 내치의 톱니 수보다 적고,
    상기 제 1 내치의 톱니 수와 상기 제 2 내치의 톱니 수는 동일한,
    파동 기어 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 파동 발생기는 회전 입력 요소이고,
    상기 제 1 내치 기어 및 상기 제 2 내치 기어 중, 일방(一方)은 회전하지 않도록 고정된 정지측 내치 기어이며, 타방(他方)은 감속 회전 출력 요소인 구동측 내치 기어인,
    파동 기어 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 파동 발생기는, 상기 외치 기어를 타원형상으로 휘게 하여, 상기 제 1 외치를 상기 제 1 내치에 대해 원주 방향의 2개소(箇所)의 부위에서 맞물리게 하고, 상기 제 2 외치를 상기 제 2 내치에 대해 원주 방향의 2개소의 부위에서 맞물리게 하고 있으며,
    상기 제 1 외치의 톱니 수와 상기 제 2 외치의 톱니 수의 차는, n을 정수(整數)로 하면, 2n개인,
    파동 기어 장치.
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