KR20180017132A

KR20180017132A - 파동기어장치를 구비한 회전전달기구

Info

Publication number: KR20180017132A
Application number: KR1020187000837A
Authority: KR
Inventors: 준 한다; 히로아키 기무라; 소타로 미야케
Original assignee: 가부시키가이샤 하모닉 드라이브 시스템즈
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2018-02-20
Also published as: TW201712248A; US11002349B2; US20210033177A1; EP3321540B1; JP6425258B2; US11441650B2; US11391351B2; US20210033178A1; CN107835906B; JPWO2017006441A1; EP3321540A4; WO2017006441A1; EP3321540A1; CN107835906A; KR102075908B1; US20180180146A1; TWI677634B

Abstract

모터(2)의 회전구동력을, 감속기를 통하여 부하측 부재(5)로 전달하는 회전전달기구(1)는, 감속기로서 파동기어장치(3)를 사용하고 있고, 동력전달계에 있어서의 파동기어장치(3) 이외의 부재의 허용 부하토크는, 미리 정한 상한 부하토크보다 크다. 파동기어장치(3)의 허용 부하토크는, 상한 부하토크 이하의 값으로 설정된 라체팅 토크에 의하여 규정되어 있다. 파동기어장치(3)는 과부하상태에 있어서 라체팅이 발생하여 기계적 퓨즈로서 기능을 한다. 토크 리미터 등의 별도의 부재를 추가하지 않고, 그 외의 동력전달부재를 과부하상태로부터 보호할 수 있다.

Description

파동기어장치를 구비한 회전전달기구{ROTATION TRANSMISSION MECHANISM PROVIDED WITH STRAIN-WAVE GEARING}

본 발명은, 회전구동원(回轉驅動源)으로부터 출력되는 회전구동력을 감속기를 통하여 부하측 부재(負荷側部材)로 전달하는 회전전달기구(回轉傳達機構)에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 감속기로서 파동기어장치(波動gear裝置)가 조립된 회전전달기구에 관한 것이다.

모터(motor) 등의 회전구동원으로부터 출력되는 회전을, 감속기를 통하여 감속하여 부하측 부재에 전달하는 구동장치에 있어서는, 과부하에 대한 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제이다. 구동장치(驅動裝置)의 동력전달계(動力傳達系)를 구성하고 있는 각 부품에, 그들의 허용 부하토크(許容負荷torque)를 넘는 과부하토크가 작용하는 것을 방지하기 위하여, 토크 리미터(torque limiter) 등과 같이 전달토크가 상한치를 넘으면 미끄러짐이 발생하는 부품을 추가하여 동력전달계의 구성부품의 파손을 방지하고 있다. 특허문헌1에는, 모터로부터의 출력회전을 전달하는 동력전달 경로에 토크 리미터가 삽입된 구동기구가 제안되어 있다.

한편 모터 등의 회전구동원으로부터의 출력회전을 감속시켜서 부하측 부재에 전달하기 위한 감속기로서, 백래쉬(backlash)가 없고 위치결정의 정밀도가 높은 파동기어장치가 사용된다. 특허문헌2에는, 파동기어장치를 감속기로서 사용한 감속기 유닛(減速機 unit)이 제안되어 있다. 전형적인 파동기어장치로서는, 특허문헌3, 4에 기재되어 있는 바와 같이 컵 형상(cup 形狀)의 외치기어(外齒gear)를 구비한 컵형 파동기어장치, 실크햇 형상(silk hat 形狀)의 외치기어를 구비한 실크햇형 파동기어장치, 원통모양의 외치기어를 구비한 플랫형 파동기어장치(flat型波動gear裝置)가 알려져 있다.

: 일본국 공개특허 특개2015-55310호 공보 : 일본국 공개특허 특개2007-321879호 공보 : 일본국 공개특허 특개2011-144916호 공보 : 일본국 공개특허 특개2009-156462호 공보

종래의 회전전달기구에 있어서는, 토크 리미터 등의 부품을 배치하여 다른 회전력 전달부품의 파손을 방지하고 있다. 토크 리미터 등의 부품을 추가함으로써, 회전전달계의 질량, 조립오차, 치수의 증가 등이 걱정된다.

본 발명의 과제는, 감속기를 이용하여 당해 감속기 이외의 동력전달계의 구성부품이 과부하에 의하여 파손되는 것을 방지할 수 있게 한 회전전달기구를 제공하는 것에 있다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은,

회전구동원으로부터 출력되는 회전구동력을, 감속기를 통하여 부하측 부재로 전달하는 회전전달기구로서,

상기 감속기를 포함하는 복수의 동력전달부재로 구성되는 동력전달계를 구비하고 있고,

상기 감속기는 파동기어장치이고,

상기 파동기어장치 이외의 상기 동력전달부재의 허용 부하토크는, 미리 정한 상한 부하토크보다 크고,

상기 파동기어장치의 허용 부하토크는, 상기 상한 부하토크 이하의 값으로 설정된 라체팅 토크에 의하여 규정되고,

상기 파동기어장치는 기계적 퓨즈로서 기능을 하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 있어서는, 파동기어장치의 고장모드의 하나로, 과부하시의 라체팅(톱니 스키핑(tooth-skipping))이 있는 것에 착안하여, 과부하시에는, 최초로 파동기어장치에서 라체팅을 발생시키도록 하고 있다. 라체팅의 발생 후의 파동기어장치는, 계속 사용할 수 없게 되지만, 당해 파동기어장치를 소위, 기계적 퓨즈로서 기능을 하게 함으로써, 동력전달계를 구성하고 있는 그 이외의 부품이 과부하에 의하여 파손되는 것을 방지할 수 있다.

파동기어장치는 일반적으로 강성의 내치기어와, 이 내측에 배치된 가요성의 외치기어와, 이 내측에 삽입된 타원형 윤곽의 파동발생기를 구비하고 있다. 파동발생기에 의하여 외치기어가 타원모양으로 휘게 되어서, 부분적으로 내치기어에 맞물린다. 파동발생기는 예를 들면 모터에 의하여 회전구동되고, 파동발생기가 회전하면, 양 기어의 맞물림 위치가 원주방향으로 이동하여 양 기어의 톱니수 차이(보통은, 2개의 톱니수 차이)에 따라, 양 기어의 사이에 상대회전이 발생한다.

외치기어가 반경방향으로 휘어져서 내치기어에 대하여 부분적으로 맞물린다. 강성의 기어 상호간의 맞물림으로 이루어지는 일반적인 감속기, 예를 들면 유성기어감속기에 있어서의 내치기어와 유성기어의 맞물림의 경우에 비하여, 파동기어장치에서는, 양 기어의 사이에 있어서 동시에 맞물리는 톱니수가 많다. 이 때문에 감속기로서의 기능을 손상시키지 않고, 양 기어의 맞물림상태를 조정하여 양 기어의 사이의 라체팅 토크를, 그 이외의 동력전달부재의 허용 전달토크보다 작게 하여 파동기어장치를 기계적 퓨즈로서 기능하게 할 수 있다.

예를 들면 상기 파동기어장치의 강성의 내치기어 및 가요성의 외치기어 중의 쌍방 혹은 일방의 톱니 중에, 원주방향으로 있어서의 일부분의 톱니의 톱니높이를, 당해 파동기어장치의 라체팅 토크로서 상기 상한 부하토크보다 큰 값이 얻어질 경우에 비하여 짧은 톱니높이로 설정해 둔다. 이에 따라 양 기어에 있어서의 짧은 톱니높이의 부분이 맞물릴 시에 라체팅을 발생 시킬 수 있다. 따라서 파동기어장치 전체로서의 기능을 손상시키지 않고, 당해 파동기어장치를 기계적 퓨즈로서 기능을 하게 하여, 동력전달계의 그 이외의 부품이 과부하상태로 되는 것을 회피할 수 있다.

그 대신에, 상기 파동기어장치에 있어서의 강성의 내치기어를 당해 파동기어장치의 고정측 부재에 체결하여 고정하는 체결력을, 상기 파동기어장치의 라체팅 토크로서 상기 상한 부하토크보다 큰 값이 얻어질 경우에 비하여, 상기 내치기어의 원주방향으로 있어서의 일부분에 대하여 작은 체결력으로 설정하더라도 좋다. 이에 따라 당해 부분에 있어서의 상기 내치기어와 상기 외치기어의 맞물림 강성이 그 이외의 부분의 맞물림 강성보다 낮게 된다. 따라서 당해 부분에 있어서의 양 기어가 맞물릴 시에 라체팅을 발생시킬 수 있고, 파동기어장치 전체로서의 기능을 손상시키지 않고, 당해 파동기어장치를 기계적 퓨즈로서 기능을 하게 하여, 동력전달계의 그 외의 부품이 과부하상태로 되는 것을 회피할 수 있다.

또한 경우에 따라서는, 상기 파동기어장치의 강성의 내치기어 및 가요성의 외치기어 중의 쌍방 혹은 일방의 톱니의 톱니높이를, 당해 파동기어장치의 라체팅 토크가 상기 상한 부하토크보다 큰 값이 얻어질 경우에 비하여 짧은 톱니높이로 설정하는 것도 가능하다.

또한 상기 파동기어장치에 있어서의 가요성의 외치기어를 반경방향으로 휘어서 강성의 내치기어에 맞물리게 할 때에 있어서의 상기 외치기어의 반경방향에의 휨량을, 상기 파동기어장치의 라체팅 토크로서 상기 상한 부하토크보다 큰 값이 얻어질 경우에 비하여, 적은 휨량으로 설정해 두는 것도 경우에 따라서는 가능하다.

도1은, 본 발명을 적용한 컵형 파동기어장치가 감속기로서 구비되고 있는 회전전달기구의 일례를 나타내는 설명도이다.
도2는, 도1의 컵형 파동기어장치를 나타내는 개략적인 종단면도 및 개략적인 정면도이다.
도3은, 외치기어의 외치의 톱니높이를 짧게 하였을 경우를 나타내는 설명도이다.
도4는, 내치기어의 원주방향의 일부를 저강성 부분(低剛性部分)으로 한 경우를 나타내는 설명도이다.
도5는, 외치기어의 휨량을 적게 하였을 경우를 나타내는 설명도이다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명을 적용한 회전전달기구(回轉傳達機構)의 실시형태에 관하여 설명한다.

도1은, 실시형태에 관한 회전전달기구를 나타내는 설명도이다. 회전전달기구(1)는, 회전구동원(回轉驅動源)인 모터(motor)(2)와, 모터(2)의 출력회전을 감속하는 컵형 파동기어장치(3)와, 컵형 파동기어장치(3)로부터 출력되는 감속회전을 전달하는 커플링(coupling)(4)과, 커플링(4)을 통하여 전달되는 감속회전에 의하여 구동하는 로봇핸드 등의 부하측 부재(負荷側部材)(5)를 구비하고 있다.

도면에 있어서는, 설명을 간단하게 하기 위하여 동력전달계(動力傳達系)(6)를 구성하는 동력전달부재(動力傳達部材)로서, 컵형 파동기어장치(3) 및 커플링(4)만을 나타내고 있다. 일반적인 회전전달기구는, 모터(2)와 부하측 부재(5)의 사이의 동력전달계보다 더 많은 부품으로 구성된다.

회전전달기구(1)에 있어서, 컵형 파동기어장치(3) 이외의 동력전달부품, 예를 들면 커플링(4), 부하측 부재(5)의 측의 부재의 허용 부하토크(許容負荷torque)는, 미리 정한 상한 부하토크(上限負荷torque)보다 큰 값으로 설정되어 있다. 이에 대하여 컵형 파동기어장치(3)의 허용 부하토크는, 상한 부하토크 이하의 값으로 설정한 라체팅 토크(ratchetting torque)에 의하여 규정되어 있다.

도2(a)는 컵형 파동기어장치(3)를 나타내는 개략적인 종단면도 및 개략적인 정면도이다. 컵형 파동기어장치(3)는, 통모양의 장치하우징(裝置housing)(11)과, 이 장치하우징(11)에 동축으로 고정된 원환모양의 강성(剛性)의 내치기어(內齒gear)(12)와, 이 내측에 동축으로 배치되어 있는 컵형상(cup 形狀)의 외치기어(外齒gear)(13)와, 이 내측에 삽입된 타원모양 윤곽의 파동발생기(波動發生器)(14)를 구비하고 있다. 파동발생기(14)는 모터(2)의 출력축(2a)에 연결되어, 모터(2)에 의하여 회전구동된다.

파동발생기(14)에 의하여 컵형상의 외치기어(13)에 있어서의 외치(外齒)(13a)가 형성되어 있는 부분은 타원모양으로 휘어지게 되어, 그 장축(L)의 양단 부분에 위치하는 외치(13a)가 내치기어(12)의 내치(內齒)(12a)에 맞물리고 있다. 파동발생기(14)가 모터(2)에 의하여 고속회전을 하면, 양 기어(12, 13)의 톱니수 차이에 따른 상대회전이 당해 양 기어의 사이에 발생한다. 내치기어(12)가 고정측 부재인 장치하우징(11)에 고정되어 있기 때문에, 외치기어(13)가 회전하고, 그 보스(boss)(13b)에 동축으로 연결되어 있는 출력축(13c)으로부터 감속회전이 출력되어, 커플링(4)을 통하여 부하측 부재(5)(도1 참조)로 전달된다.

여기에서 파동기어장치(3)의 외치기어(13)의 외치(13a) 중, 원주방향에 있어서의 일부분의 톱니높이, 예를 들면 도3(a)에 있어서 1점쇄선(A)으로 둘러싸는 영역 내에 위치하는 복수의 외치(13a(2))의 톱니높이를, 그 이외의 외치(13a(1))에 비하여, 짧은 톱니높이(h1)로 하고 있다.

도3(b)는, 표준의 톱니높이의 외치(13a(1)) 및 짧은 톱니높이(h1)의 외치(13a(2))를 나타내는 설명도이다. 외치(13a(2))의 톱니높이(h1)는, 당해 파동기어장치(3)의 라체팅 토크가 상한 부하토크보다 큰 값이 얻어질 경우의 톱니높이(h0)에 비하여 짧은 톱니높이로 설정되어 있다. 예를 들면 외치(13a(2))의 치형은, 가상선으로 나타내는 톱니높이(h0)의 외치(13a(1))의 치형에, 마이너스의 전위를 실시함으로써 얻어지는 짧은 톱니높이(h1)의 전위치형(轉位齒形)으로 되어 있다.

과부하가 가해지면, 짧은 톱니높이(h1)의 외치(13a(2))의 부분이 내치(12a)에 맞물리는 상태에 있어서 라체팅이 발생하여, 그 외의 동력전달부재가 과부하상태로 빠지는 것을 회피할 수 있다. 즉 파동기어장치(3)에 있어서는, 그 감속기로서의 기능을 유지하면서, 그 라체팅 토크를 상한 부하토크 이하의 값으로 할 수 있다. 파동기어장치(3)가 동력전달계에 있어서의 최약부(最弱部)로서, 과부하 시에 있어서는, 최초로 파동기어장치(3)에 라체팅이 발생하여 파손되고, 다른 부품이 과부하에 의하여 파손되는 것을 회피할 수 있다.

여기에서 외치(13a)의 대신에 내치(12a)의 톱니높이를, 원주방향의 일부분에 있어서 짧은 톱니높이로 해 두어도 좋다. 외치(13a) 및 내치(12a)의 쌍방에 있어서, 원주방향에 있어서의 일부의 외치, 내치를 짧은 톱니높이로 해 두는 것도 가능하다.

다음에 파동기어장치(3)에 있어서의 내치기어(12)를 당해 파동기어장치(3)의 고정측 부재인 장치하우징(11)에 체결하여 고정하는 체결력을 저하시켜도 좋다. 즉 파동기어장치(3)의 라체팅 토크로서 상한 부하토크보다 큰 값이 얻어질 경우에 비하여 작은 값으로 설정하여 양 기어의 맞물림 강성을 그들의 원주방향에 있어서의 일부분에 대하여 저하시켜, 라체팅 토크를 상한 부하토크 이하로 내리는 것도 가능하다.

예를 들면 도2에 나타내는 바와 같이 내치기어(12)는, 원주방향을 따라 소정의 피치(pitch)로 복수개의 체결볼트(21)(도2(a)에 있어서는 1점쇄선으로 나타낸다.)에 의하여 장치하우징(11)에 체결되어 고정된다. 내치기어(12)에 있어서의 원주방향으로의 일부분의 체결볼트, 예를 들면 도2(b)에 나타내는 바와 같이 3개의 체결볼트(21A)에 의한 체결력(締結力)을, 그 외의 체결볼트(21)의 체결력보다 작게 해 둔다.

그 결과로, 체결볼트(21A)에 의하여 체결되어 있는 내치기어(12)의 부분과 외치기어(13)의 사이의 맞물림 강성은, 내치기어(12)의 그 외의 부분과 외치기어(13)의 사이의 맞물림 강성보다 낮아진다. 따라서 당해 체결볼트(21A)에 의하여 체결되어 있는 부분의 내치가 외치에 맞물리는 상태에서 라체팅 토크를 상한 부하토크 이하로 할 수 있다.

체결력을 부분적으로 작게 하는 대신에, 내치기어(12)에 있어서의 원주방향의 일부분에, 그 이외의 부분에 비하여, 반경방향으로의 강성이 낮은 부분을 형성해 두어도 좋다.

예를 들면 도4에 나타내는 바와 같이 원주방향에 있어서의 일부의 체결볼트(21)에 의하여 체결되어 있는 내치기어의 부분에, 당해 체결볼트(21)의 볼트구멍으로부터 반경방향의 외측을 향하여 외주면까지 연장되는 슬릿(31)을 형성하여, 그 외의 부분에 비하여 반경방향의 강성을 저하시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 예의 회전전달기구(1)에 있어서는, 그 동력전달계에 배치되어 있는 감속기로서 파동기어장치(3)를 사용하고, 당해 파동기어장치(3)를 동력전달계에 있어서의 최약부로 하고 있다. 이에 따라 파동기어장치를 기계적 퓨즈(mechanical fuse)로서 사용할 수 있어, 토크 리미터 등의 별도의 부재를 동력전달계에 추가하지 않고, 동력전달계의 다른 구성부품을 과부하상태로 빠지지 않게 보호할 수 있다.

또한 파동기어장치(3)는, 강성의 기어 상호간의 맞물림으로 이루어지는 유성기어감속기 등과 달리, 탄성변형하는 기어를 구비하고 있어, 기어 상호간의 동시 맞물리는 톱니수가 많다. 따라서 파동기어장치의 기능을 손상시키지 않고, 기계적 퓨즈로서 기능을 하게 할 수 있다.

(기타의 실시형태)

또한 상기한 파동기어장치(3)는 컵형 파동기어장치이지만, 실크햇형 파동기어장치, 플랫형 파동기어장치, 그 이외의 파동기어장치를 사용할 수 있는 것은 물론이다.

상기 파동기어장치(3)의 외치기어(13)에 있어서 모든 외치(13a)의 톱니높이를 짧은 톱니높이(h1)로 해 두는 것도 가능한 경우이다.

양 기어(12, 13)의 맞물림을 얕게 하여 라체팅 토크를 작게 하기 위하여, 외치기어(13)의 휨량을 작게 하는 것도 가능한 경우이다. 진원의 상태의 외치기어(13)의 피치원(pitch圓)이 타원모양으로 휘게 된 후의 형상을, 타원모양의 피치곡선(pitch曲線)이라고 부르기로 한다. 이 경우에, 외치기어(13)의 휨량 w는, 장축(L)의 위치에 있어서 피치곡선의 지름과 피치원 지름(C)의 차이이다.

도5에 나타내는 바와 같이 외치기어(13)를 반경방향으로 휘어 내치기어(12)에 맞물리게 할 때에 있어서의 외치기어(13)의 반경방향으로의 휨량(w1)을, 파동기어장치(3)의 라체팅 토크로서 상한 부하토크보다 큰 값이 얻어지는 경우의 휨량(w0)에 비하여 적은 휨량으로 설정하더라도 좋다. 이에 따라 라체팅 토크를 상한 부하토크 이하의 값으로 설정할 수 있다.

Claims

회전구동원(回轉驅動源)으로부터 출력되는 회전구동력을, 감속기를 통하여 부하측 부재(負荷側部材)로 전달하는 회전전달기구(回轉傳達機構)로서,
상기 감속기를 포함하는 복수의 동력전달부재(動力傳達部材)로 구성되는 동력전달계(動力傳達系)를 구비하고 있고,
상기 감속기는 파동기어장치(波動gear裝置)이고,
상기 동력전달부재에 있어서의 상기 파동기어장치 이외의 부재의 허용 부하토크(許容負荷torque)는, 미리 정한 상한 부하토크(上限負荷torque)보다 크고,
상기 파동기어장치의 허용 부하토크는, 상기 상한 부하토크 이하의 값으로 설정된 라체팅 토크(ratchetting torque)에 의하여 규정되고,
상기 파동기어장치는 기계적 퓨즈(mechanical fuse)로서 기능을 하는
회전전달기구.
제1항에 있어서,
상기 파동기어장치의 강성(剛性)의 내치기어(內齒gear) 및 가요성의 외치기어 중의 쌍방 혹은 일방의 톱니 중에, 원주방향으로 있어서의 일부분의 톱니의 톱니높이는, 당해 파동기어장치의 허용 부하토크가 상기 상한 부하토크보다 큰 값이 되는 경우에 비하여 짧은 톱니높이로 설정되고, 이에 따라 상기 라체팅 토크는 상기 상한 부하토크 이하의 값으로 되어 있는 회전전달기구.
제1항에 있어서,
상기 파동기어장치에 있어서의 강성의 내치기어를 상기 파동기어장치의 고정측 부재에 체결하여 고정하는 체결력(締結力)은, 상기 파동기어장치의 허용 부하토크가 상기 상한 부하토크보다 큰 값이 되는 경우에 비하여, 상기 내치기어의 원주방향으로 있어서의 일부분에 대하여 작은 체결력으로 설정되고, 이에 따라 상기 라체팅 토크가 상기 상한 부하토크 이하의 값으로 되어 있는 회전전달기구.
제1항에 있어서,
상기 파동기어장치에 있어서의 강성의 내치기어의 원주방향의 일부분은, 원주방향의 그 이외의 부분에 비하여 반경방향의 강성을 낮게 한 저강성 부분(低剛性部分)으로서, 상기 저강성 부분의 내치와 외치기어의 외치의 맞물림 강성이, 그 이외의 부분의 맞물림 강성보다 낮고, 이에 따라 상기 라체팅 토크가 상기 상한 부하토크 이하의 값으로 되어 있는 회전전달기구.