KR20240023142A - 파동 기어 장치 - Google Patents

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KR20240023142A
KR20240023142A KR1020247001884A KR20247001884A KR20240023142A KR 20240023142 A KR20240023142 A KR 20240023142A KR 1020247001884 A KR1020247001884 A KR 1020247001884A KR 20247001884 A KR20247001884 A KR 20247001884A KR 20240023142 A KR20240023142 A KR 20240023142A
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리오 카미야마
카주오 이시주카
토모키 시라사와
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가부시끼가이샤 리켄
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Abstract

파동 기어 장치(1)는, 내치기어(2)와, 가요성을 가지는 외치기어(3)와, 외치기어(3)에 파동 운동을 발생시키는 파동 발생기(4)를 구비하고 있다. 파동 발생기 (4)는, 외치기어(3)의 내주면에 끼워지는 베어링(6)을 구비하고 있다. 베어링 (6)의 외륜(6a)은 이하의 식(1)에 의해 구해지는 탄성도를 갖는다.
탄성도(N/mm2)=E×I×(1 /D4)ㆍㆍㆍ(1)
E: 종탄성 계수, I: 단면 2차 모멘트, D: 외륜의 외경
또한, 탄성도는 7.8 × 10-5 ∼ 2.7 × 10-2의 범위이다.

Description

파동 기어 장치
본 발명은 파동기어장치에 관한 것이다.
파동기어장치에는 고정밀도, 고감속비, 경량이라는 특징이 있다. 따라서, 파동 기어 장치는 주로 로봇용 감속기로서 사용되지만, 파동 기어 장치의 동력 전달 효율은 일반적인 유성 기어 장치에 비하여 낮다.
종래, 파동 기어 장치의 동력 전달 효율을 향상시키는 방법으로서는, 예를 들면, 내치기어와 외치기어의 맞물림에 주목하여, 내치기어의 치형과 외치기어의 치형을 설정하고 있다. (예를 들면, 특허문헌 1 및 2 참조.)
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 2017-166649호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 공개 2018-159458호 공보
그러나, 상기 종래의 파동 기어 장치에도 여전히, 실제 사용에 견딜 수 있는 범위 내에서의 동력 전달 효율의 향상이라는 점에 있어서 개선의 여지가 있었다.
본 발명의 목적은 실제 사용을 견딜 수 있는 범위 내에서 동력 전달 효율이 향상되는 파동 기어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 파동 기어 장치는, 내치기어와, 가요성을 갖는 외치기어와, 상기 외치기어에 파동 운동을 발생시키는 파동 발생기를 포함하고, 상기 파동 발생기는, 상기 외치기어의 내주면에 끼워맞춤하는 베어링을 구비하는 파동 기어 장치로서,
상기 베어링의 외륜은, 이하의 식 (1)로 구해지는 탄성도를 구비하고 있고,
탄성도(N/mm2)=E×I×(1/D4)ㆍㆍㆍ(1)
E: 종탄성 계수, I: 단면 2차 모멘트, D: 외륜의 외경
또한, 상기 탄성도는 7.8 × 10-5 내지 2.7 × 10-2 이다. 본 발명의 파동 기어 장치에 의하면, 실제 사용에 견딜 수 있는 범위 내에서 동력 전달 효율이 향상된다.
본 발명에 따른 파동 기어 장치에 있어서, 상기 외륜의 종탄성 계수 E (GPa)는 0.4∼200 인 것이 바람직하다. 이 경우, 가공성을 유지하면서, 보다 동력 전달 효율이 향상된다.
본 발명에 따른 파동 기어 장치에 있어서, 상기 외륜은 수지 또는 경금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 재료의 선택이라는 간단한 수단에 의해 동력 전달 효율이 향상된다.
본 발명에 따른 파동 기어 장치에 있어서, 상기 외륜은 베어링강에 의하여 형성되고, 상기 외륜의 외경에 대한 상기 외륜의 두께의 두께율(%)은, 1.2∼2.1인 것이 바람직하다. 이 경우, 기존의 베어링 재료를 사용하면서, 상기 두께율을 상기 범위로 설정하는 간단한 방법에 의해, 동력 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 파동 기어 장치에 있어서, 상기 외륜은, 전동체에 의해 지지되고, 상기 전동체의 표면과 상기 외륜 또는 상기 내륜에 있어서의 상기 전동체의 궤도면의 적어도 어느 한쪽에, 상기 외륜의 기재층보다 경도가 높은 경질층이 설치될 수 있다. 이 경우, 보다 동력 전달 효율이 향상된다.
본 발명에 의하면, 실제 사용에 견딜 수 있는 범위 내에서 동력 전달 효율이 향상되는 파동 기어 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 파동 기어 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 영역 X를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 파동 기어 장치이며, 이 파동 기어 장치의 베어링의 일부를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 파동 기어 장치이며, 파동 기어 장치의 베어링의 일부를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 제 2 실시예로부터 얻어진 구체적인 동력 전달 효율의 수치 결과와, 실시예에 대한 비교예로부터 얻어진 구체적인 동력 전달 효율의 수치 결과를 나타낸 꺾은선 그래프입니다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 관한 파동 기어 장치에 대하여 설명한다.
도 1에서, 부호 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 파동 기어 장치이다. 파동 기어 장치(1)는, 내치기어(2)와, 가요성(탄성도 포함)을 갖는 외치기어(3)와, 외치기어(3)에 파동 운동을 발생시키는 파동 발생기(4)를 구비하고 있다. 파동 발생기(4)는, 외치기어(3)의 내주면에 끼워지는 외륜(6a)을 구비하고 있다.
파동 발생기(4)는 외치기어(3)의 내주면에 조립됨으로써 외치기어(3)를 비원형으로 편향시켜 상기 외치기어(3)에 내치기어(2)와의 맞물림 부분(P)을 형성함과 함께 맞물림 부분(P)을 내치기어(2)의 원주 방향으로 이동시킨다.
본 실시예에서, 내치기어(2)는, 복수의 내치(2a)와 환형 본체(2b)를 포함한다. 복수의 내치(2a)는, 환형 본체(2b)의 내주로부터 반경 방향 내측으로 돌출되어 있다. 본 실시예에서, 내치기어(2)는, 예를 들면, 파동 기어 장치(1)의 하우징(도시 생략)에 고정되어있다. 즉, 본 실시예에 있어서, 내치기어(2)는 고정 기어이다. 또한, 본 실시예에 있어서, 내치기어(2)는, 높은 강성을 구비하는 강성 기어이다. 내치기어(2)는, 예를 들면, 주철, 합금강, 탄소강 등의 철계 재료, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금, 티탄 합금 등의 경금속 합금 또는 경금속 단체, PEEK(폴리에테르에테르케톤), PPS(폴리페닐렌설파이드), POM(폴리옥시메틸렌) 등의 엔지니어링 플라스틱 등 수지재에 의해 형성된다.
또한, 본 실시예에 있어서, 외치기어(3)는, 복수의 외치(3a)와, 환형 본체 (3b)를 갖고 있다. 복수의 외치(3a)는 환형 본체(3b)의 외주로부터 반경방향 외측으로 돌출되어 있다. 외치기어(3)는 가요성을 갖는 가요성 기어이다. 외치기어(3)는, 예를 들면, 환형 본체(3b)를 얇은 두께로 형성함으로써 기계적으로 변형 및 복원을 시킬 수 있다. 환형 본체(3b)를 얇은 두께로 형성하는 경우, 외치기어(3)를 형성하기 위한 재료로서는, 예를 들면 금속이나 수지재를 사용할 수 있다. 또한, 외치기어(3)는, 예를 들면, 가요성을 갖는 재료(예를 들면, 합금강, 탄소강, 경금속으로 이루어지는 박육 재료나, 가요성을 갖는 엔지니어링 플라스틱 등의 수지 재료)을 사용함으로써 재질적으로 변형 및 복원을 시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 파동 발생기(4)는 파동 발생 코어(5)와 베어링 (6)을 포함한다.
본 실시예에서, 파동 발생 코어(5)는 구동 샤프트(7)에 접속된다. 구동축(7)은 모터(도시 생략)등의 동력원에 접속되어 있다. 파동 발생 코어(5)는, 내치기어 (2)와 마찬가지로 강성이 높은 부재이다. 파동 생성 코어(5)의 외주면은, 예를 들면 캠과 같이 기능한다. 본 실시예에서, 구동 샤프트(7)의 회전축은 파동 기어 장치(1)의 축선O와 동축이다. 이에 따라, 파동 발생 코어(5)는 축선O 주위로 회전할 수 있다. 파동 생성 코어(5)는 비원형 형상을 갖는다. 본 실시 예에서, 파동 생성 코어(5)는 2 로브 (투 로브) 형태이다. 2 로브형은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 축선 방향 시(축선 O의 방향으로부터의 시선)에 있어서, 타원 형상을 갖고 있다. 도 1에서, 부호 5a는 파동 생성 코어 (5)의 장축 측의 정점이다. 장축측의 정점(5a)은 장축 상에 배치되어 있다.
본 실시예에서, 베어링(6)은 외치기어(3)와 파동 발생 코어(5) 사이의 상대 회전을 허용한다. 본 실시예에서, 베어링(6)은, 외륜(6a), 내륜(6b) 및 전동체(6c)를 구비한다 . 이러한 구성을 갖는 베어링으로서, 예를 들면, 롤러 베어링, 볼 베어링(예를 들어, 깊은 홈 볼 베어링)등과 같은 구름 베어링을 포함한다. 또한, 본 실시예에서, 외륜(6a) 및 내륜(6b)은 가요성을 갖는다. 이에 의하여, 외륜(6a) 및 내륜(6b)은, 각각 파동 생성 코어(5)의 윤곽 형상에 맞추어 변형될 수 있다. 베어링(6)은, 예를 들면, PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌), PEEK (폴리에테르에테르케톤), POM(폴리옥시메틸렌) 등의 수지 재료, 섬유 강화 플라스틱에 의해 형성할 수 있다. 또한. 베어링(6)은, 예를 들면, 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등의 경금속 합금 또는 경금속 단체로 형성될 수 있다.
베어링(6)의 내륜(6b)은, 파동 발생 코어(5)의 외주면에 부착되어 있다. 이것에 의하여, 베어링(6)은, 베어링(6)의 형상이 파동 발생 코어 (5)의 윤곽 형상이 되도록 파동 생성 코어(5)에 조립된다. 그러나, 내륜(6b)은 파동 발생 코어(5)와 일체로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 내륜(6b)은 파동 생성 코어(5)의 일부로서 구성할 수 있다.
베어링(6)의 외륜(6a)은, 외치기어(3)의 내주면에 부착되어 있다. 외륜(6a)은 가요성을 갖는다. 이에 의하여, 베어링(6)은, 가요성을 갖는 외치기어(3)를, 상기 외치기어(3)의 형상이 파동 생성 코어(5)의 윤곽 형상이 되도록 지지할 수 있다. 본 실시예에서, 파동 생성 코어(5)는 2 로브 형상이다. 이 때문에, 도 1에 도시 된 바와 같이, 외치기어(3)는 베어링(6)과 함께 파동 발생 코어(5)의 형상에 따라 타원형으로 구부러진다. 이에 의하여, 내치기어(2)와 외치기어(3) 사이에는, 파동 생성 코어(5)의 장축측의 2개소의 위치에, 내치기어(2)와 외치기어(3)의 맞물림 부분(P)이 형성된다.
파동 기어 장치(1)에 있어서, 파동 발생기(4)를 회전시키면, 당해 파동 발생기(4)의 파동 생성 코어(5)는, 외치기어(3)에 대하여 상대 회전시킬 수 있다. 파동 기어 장치(1)에 있어서, 외치기어(3)의 외치(3a)의 치수 ZF와, 내치기어(2)의 내치(2a)의 치수 ZR와의 사이에는 치수 차가 있다. 따라서, 파동 발생기(4)를 회전시키면, 내치기어(2)와 외치기어(3) 사이에는, 상기 치수 차에 기인한 상대 회전이 발생한다. 이에 의하여, 파동 발생기(4)를 회전 시키면, 외치기어(3)의 맞물림 부분(P)은, 내치기어(2)의 둘레 방향에 있어서, 파동 발생기(4)의 회전 방향과 반대 방향으로 이동한다. 본 실시예에서, 맞물림 부분(P)은, 파동 발생 코어(5)가 축선(O)의 주위를 180도 회전할 때마다, 내치기어(2)에 대하여 파동 발생기(4)의 회전 방향과 반대 방향으로 이동한다. 즉, 본 실시예에 있어서, 파동 발생기(4)로부터의 입력 회전은, 외치기어(3)로부터의 감속 회전으로서 반전 출력된다.
상술한 바와 같이, 파동 기어 장치(1)는, 외치기어(3)의 외치(3a)와 내치기어(2)의 내치(2a)가, 장축측의 2개의 맞물림 부분(P)에서 맞물림 됨으로써 감속을 행한다. 이 때의 감속비는 외치(3a)와 내치(2a)의 치수에 의해 결정되므로, 다른 감속기에 비하여 고감속비를 실현할 수 있다. 파동 기어 장치(1)는, 예를 들면, 로봇용 감속기로서 사용된다.
한편, 종래의 파동 기어 장치의 동력 전달 효율은 일반적인 유성 기어 장치에 비하여 낮다. 이 주요 원인은, 파동 발생기(4) 내의 베어링(6)에서의 마찰 저항, 점성 및 교반 저항 때문이다. 여기서, 도 2를 참조하면, 마찰저항은, 예를 들면, 외륜(6a)과 전동체(6c) 사이의 슬라이딩부에서 받는 수직항력(N)과 동마찰계수(μ)에 의존한다. 파동 기어 장치와 같은 캠 장축부에서 큰 수직 항력이 발생하는기구에서는 마찰 저항이 비교적 커진다. 이 때문에, 종래의 파동 기어 장치는, 필연적으로 동력 전달 효율의 손실도 커지고 있었다.
따라서, 본 발명은 베어링(6) 내부에서 발생하는 마찰력(F)을 저감하여 파동 기어 장치 (1) 내의 동력 전달 효율을 향상시킨다.
여기서, 마찰력 F (N)은 F=μ×N으로 정의될 수 있다.
상기 식으로부터, 마찰력 F(N)는 수직 항력 N에 비례한다. 본 실시예에서, 파동 발생기(4)는 2 로브 형이다. 이 경우, 수직 항력(N)은 진원형 베어링(6)을 파동 발생 코어 (5)의 외주 형상에 따라 타원형으로 변형시키는 데 필요한 힘의 반력이 된다. 이 때문에, 베어링(6)이 변형하기 쉬워질수록, 수직 항력(N)은 작아진다. 본 발명에서는 베어링(6)의 변형 용이성을 굽힘 강성 EI (= E × I)로 정량적으로 평가하고, 그 값을 저감함으로써 수직 항력 N을 작게 한다.
본 발명에 의하면, 외륜(6a)은 이하의 식(1)에 의해 구해지는 탄성도를 갖는다.
탄성도(N/mm2 )=E×I×(1/D4)ㆍㆍㆍ(1)
E: 종탄성 계수, I: 단면 2차 모멘트, D: 외륜(6a)의 외경
여기서, 외륜(6a)의 외경(D)은, 베어링(6)을 파동 발생 코어(5)에 부착하기 전의, 베어링(6)이 진원 상태에있을 때의 외륜(6a)의 직경이다.
또한, 본 발명에 따르면, 탄성도(N / mm2) 는, 7.8 × 10-5 ∼ 2.7 × 10-2의 범위이다. 보다 바람직하게는, 후술하는 실시예에서 명백한 바와 같이, 상기 탄성도 (N/mm2)는 7.8 × 10-5 ∼5.9 × 10-4 의 범위이다.
상기 식 (1) 중, E × I은, 굽힘 강성 (N · mm2)을 나타내고, 굽힘 강성 EI 라고도 한다. 굽힘 강성 EI는, 종탄성계수 E와 단면 2차 모멘트 I의 곱셈값이다. 굽힘 강성 EI에 곱해지는 항 (1/D4)은, 베어링(6)의 외경 D에 의한 보정항이다. 이 보정항은, 파동 기어 장치의 사이즈(크기)의 차이를 평준화하기 위한 보정항이다. 구체적으로는, 파동 기어 장치의 사이즈를 변경하는 경우, 베어링의 두께(t) 및 폭(w)도, 그 사이즈의 변경에 맞추어 변경된다. 따라서, 단면 2 차 모멘트도, 베어링(6)의 두께 (t) 및 폭 (w)의 변화에 따라 크게 변화한다. 이러한 단면 2차 모멘트의 변화에 수반하는 탄성도의 변화를 흡수하기 위하여, 외륜(6a)의 외경 D에 의한 보정항을 이용하여 평준화하고 있다.
베어링(6)의 외륜(6a)의 굽힘 강성 EI를, 파동 기어 장치(1)로서 필요한 강도를 확보할 수 있는 한계까지 작게 하면, 베어링(6)을 탄성 변형시킬 때에 필요한 힘은, 실제 사용에 견딜 수 있는 범위 내에서 저감된다. 이에 의하여, 베어링(6)의, 외륜(6a)과 전동체(6c) 사이에서 발생하는 마찰력 F도 실제 사용에 견딜 수 있는 범위 내에서 감소한다. 그 결과, 파동 기어 장치(1)의 동력 전달 효율 저감을 억제할 수 있다.
파동 기어 장치 (1)에서는, 탄성도 (N / mm2) 가 ７．８×１０－５∼２．７×１０－２의 범위를 만족하도록, 굽힘 강성 EI를 설정한다. 탄성도 (N / mm2) 가 2.7 × 10-2 이하가 되는 경우, 동력 전달 효율은 본 발명에 따른 구성을 갖지 않는 종래의 파동 기어 장치에 비해 향상된다. 또한, 탄성도 (N/mm2) 가 7.8 × 10-5 이상인 경우에는, 내구성 및 가공성을 유지하면서 동력 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 탄성도(N/mm2)가 7.8×10-5 ∼2.7×10 -2 의 범위를 만족하도록 설정하면, 외륜(6a)의 굽힘 강성 EI를, 실제 사용에 견딜 수 있는 범위 내에서, 필요한 강도를 확보할 수 있는 한계까지 작게 할 수 있다.
따라서, 파동 기어 장치(1)에 의하면, 베어링(6)이 실제 사용에 견딜 수 있는 범위 내에서 변형되기 쉬워짐으로써, 베어링(6)의 내부에서 발생하는 마찰력 F가 저감되어, 파동 기어 장치(1) 내의 동력 전달 효율이 향상된다 .
특히, 파동 기어 장치(1)에 있어서, 외륜(6a)의 종탄성 계수 E(GPa)는, 0.4∼200의 범위인 것이 바람직하다. 종탄성 계수 E(GPa)가 200 이하가 되는 경우, 본 발명에 따른 구성을 갖지 않는 종래의 파동 기어 장치에 비하여 보다 동력 전달 효율이 향상된다. 또한, 종탄성 계수 E(GPa)가 0.4 이상이 되는 경우, 베어링(6)의 외륜(6a)은 외치기어(3)를 보다 안정된 상태로 지지할 수 있는 강성을 얻을 수 있다. 이에 따라 동력 전달 효율을 향상시킨다. 또한, 이 경우, 외륜(6a)의 가공성도 종래의 가공성을 유지할 수 있다. 따라서, 외륜(6a)의 종탄성 계수E(GPa)를 0.4∼200의 범위로 하면, 가공성을 유지하면서, 보다 동력 전달 효율이 향상된다.
또한, 파동 기어 장치(1)에 있어서, 외륜(6a)은, 수지 또는 경금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 재료의 선택이라는 간단한 수단에 의해 동력 전달 효율이 향상된다. 상기 수지로서는, 예를 들면 PEEK(폴리에테르에테르케톤),POM(폴리옥시메틸렌),PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 등의 수지 재료, 섬유 강화 플라스틱을 들 수 있다. 또한, 상기 경금속으로서는, 예를 들면, 티탄 합금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등의 경금속 합금 또는 경금속 단체이어도 좋다. 또한 외륜(6a)의 구성 재료는, 단일 재료일 필요는 없다. 외륜(6a)의 구성 재료는, 수지와 경금속을 조합한 것으로 할 수 있다. 또는, 외륜(6a)의 구성 재료는, 수지, 경금속 및 철 재료의, 적어도 어느 2개를 조합한 것이어도 된다. 또한, 내륜(6b)도, 외륜(6a)과 동일한 재료로 형성할 수 있다.
특히, 파동 기어 장치(1)에 있어서, 외륜(6a)은, 베어링강(예를 들면, SUJ2)에 의해 형성되어 있고, 외륜(6a)의 외경 D에 대한 당해 외륜(6a)의 두께 t의 비인 두께율(%)은, 1.2∼2.1의 범위인 것이 바람직하다.
도 1을 참조하면, 상기 두께율(%)은 다음과 같이 정의된다.
두께율(%)=t/Dㆍㆍㆍ(2)
D: 외륜(6a)의 외경, t: 외륜(6a)의 두께
두께율(%)이 1.2∼2.1의 범위인 경우, 베어링강이라고 하는 기존의 베어링 재료를 사용하면서, 외륜(6a)의 두께율(%)을 상기 범위(1.2∼2.1)로 설정하는 간단한 방법에 의해, 동력 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 마찰력 F(N)은, 동마찰 계수 μ에 비례한다. 동마찰 계수 μ는, 일반적으로, 슬라이딩면의 경도가 높을수록 작아진다. 따라서, 전동체(6c)와 외륜(6a)의 슬라이딩면에 경질층을 형성하면, 동마찰 계수 μ를 저감 할 수 있고, 파동 기어 장치(1)의 동력 전달 효율의 저감을 더욱 억제할 수 있다.
파동 기어 장치(1)에 있어서, 외륜(6a)은, 전동체(6c)에 의하여 지지되어 있다. 그 때문에, 본 실시예에 있어서, 전동체(6c)의 표면과 외륜(6a) 또는 내륜(6b)에 있어서 당해 전동체(6c)의 궤도면의 적어도 어느 한쪽에, 외륜(6a)의 기재층 보다 경도가 높은 경질층을 설치하면, 보다 동력 전달 효율이 향상된다. 여기서, 전동체(6c)의 궤도면이란, 외륜(6a)의 내주면과 내륜(6b)의 외주면 중 적어도 어느 하나를 말한다.
상기 경질층으로서 사용되는 재료로서는, 예를 들어, 베어링강보다 높은 경도의 재료, 구체예로서는 DLC(다이아몬드 라이크 카본)를 들 수 있다. 또한, 상기 경질층이 표면 경화 처리에 의해 형성되는 경우, 상기 표면 경화 처리는 특정의 표면 처리에 한정되지 않는다. 이러한 표면 효과 처리로서는, 예를 들면, 크롬 도금, 질화 처리, 침탄 처리 등을 포함한다. 상기 경질층은, 전동체(6c) 또는 상기 전동체(6c)의 궤도면 중 어느 한쪽에 형성할 수 있다. 또는, 경질층은 전동체(6c) 및 전동체(6c)의 궤도면 모두에 형성될 수 있다. 이 경우, 동력 전달 효율이 가장 향상된다. 또한, 본 발명에 의하면, 외륜(6a)을 다층 구성으로 하고, 궤도 홈이 있는 내측층을 철 등의 경질층으로 하고, 외측층을 수지 등의 종탄성 계수(E)가 낮은 재료로 할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 내륜(6b)을 다층 구성으로 하고, 궤도면으로서의 외측층을 철 등의 경질층으로 하고, 내측층을 수지 등의 종탄성 계수(E)가 낮은 재료로 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 파동 기어 장치이며, 해당 파동 기어 장치의 베어링(6)의 일부를 개략적으로 도시하는 도면이다. 본 실시예에서는, 베어링(6)의 외륜(6a)의 형상을 변경하고 있다. 본 실시예에서, 외륜(6a)의 외주면에는, 원주 방향으로 간격을 두고 복수의 홈(6d)이 설치되어 있다. 외륜(6a)에 홈(6d)을 설치하면, 외륜(6a)은 홈(6d)을 기점으로 구부리기 쉽다. 즉, 외륜 (6a)에 홈(6d)을 설치하면, 외륜 (6a)의 굽힘 강성 EI를 저하시킬 수 있다. 이것에 이하여, 외륜(6a)이 보다 구부리기 쉽게 된다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 홈(6d)이 없는 파동 기어 장치와 비교하여, 동력 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
구체적으로는, 홈(6d)은 축선(O)을 향하여 반경방향 내측으로 오목한 홈으로서 형성되어 있다. 또한, 본 실시예에서, 홈(6d)은 축선 (O)에 평행하게, 즉, 축선 방향에 평행하게 연장된다. 또한, 본 실시예에서, 홈 (6d)은 외륜(6a)의 축선 방향 단부에 도달할 때까지 형성된 장홈이다. 또한, 도 4를 참조하면, 베어링(6)의 외륜(6a)을 가공하여 탄성도를 상기 범위로 함으로써 동력 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, V자형(쐐기형)의 장홈, U자형의 장홈을 베어링(6)의 외륜(6a)에 설치함으로써 탄성도를 상기 범위로 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 파동 기어 장치이며, 해당 파동 기어 장치의 베어링(6)의 일부를 개략적으로 도시하는 도면이다. 본 실시예에서는, 외륜(6a)의 내부에 빈구멍부(B6)가 설치되어 있다. 빈구멍부(B6)는 외륜(6a)의 내부에 존재하는 폐쇄된 공간이다. 외륜(6a)의 내부에 빈구멍부(B6)를 설치하면, 외륜(6a)의 내부에 빈구멍(공간)이 형성되므로 종단 계수 E가 낮아진다. 그 결과, 도 4의 실시예와 동등하게 굽힘 강성 EI를 저하시킬 수 있다. 이것에 의하여 외륜(6a)이 보다 구부리기 쉽게 된다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 공동부가 없는 파동 기어 장치와 비교하여, 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5의 제 3 실시예에서, 빈구멍부(B6)는 단지 빈구멍이지만, 빈구멍부 (B6)는 수지와 같은 낮은 종탄성 계수(E)의 재료를 함침시킬 수 있다. 또한, 상기 빈구멍의 크기가 큰 경우, 상기 빈구멍은 피로 파괴의 기점이 된다. 이 때문에, 상기 빈구멍의 사이즈(구체적으로는, 평균 빈구멍 직경, 즉, 빈구멍의 평균 직경)는, 수십㎛ 이하로 균일하게 분산되어 있는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 실시예를 설명한다.
하기 표 1은, 동력 전달 효율의 측정 결과를 나타낸다. 이 측정 결과에는, 본 발명에 관한 실시예 1∼6에서 얻어진 동력 전달 효율의 측정 결과와, 실시예 1 6과의 비교를 위한 비교예 1∼2에서 얻어진 동력 전달 효율의 측정 결과를 포함하고 있다.
　 N/mm2 mm % 　 회전수
　 외륜탄성도 외륜두께 외륜두께율 재질 100 500 1000
비교예1 4.1.E-02 0.8 2.4 SUJ2 △ × ×
비교예2 1.9.E-05 0.5 1.5 PTFE ◎ ◎ ◎
실시예1 7.8.E-05 0.8 2.4 PTFE ◎ ◎ ◎
실시예2 5.9.E-04 0.8 2.4 PEEK ◎ ◎ ◎
실시예3 2.7.E-02 0.7 2.1 SUJ2 △ △ ×
실시예4 1.0.E-02 0.5 1.5 SUJ2 ○ △ △
실시예5 5.1.E-03 0.4 1.2 SUJ2 ○ ○ △
실시예6 2.7.E-02 0.7 2.1 SUJ2 ○ △ △
◎：전달효율　50％이상　 ○：전달효율 40％이상 50％미만
△：전달효율 30％이상 40％미만　　　×：전달효율 30％미만
표 1에는, 각 실시예 및 비교예의 외륜(6a)의 탄성도(N/㎟), 외륜(6a)의 두께 t(mm), 외륜(6a)의 두께율(%), 베어링(6)의 외륜(6a)의 재질도 아울러 나타나 있다. 동력 전달 효율의 측정은 파동 발생기(4)를 입력으로 하고 있다. 입력 회전 속도(rpm)는, 100∼1000rpm의 범위 중, 100rpm, 500rpm, 1000rpm의 3종류로 하였다. 또한, 부하 토크(N·m)는 1.0으로 측정을 행하였다. 특히, 실시예 6에서는, 베어링(6)의, 전동체(6c), 외륜(6a)의 궤도면(내주면) 및 내륜(6b)의 궤도면(외주면)에, DLC에 의해 구성되는 경질층이 형성되어 있다. 동력 전달 효율은 ◎: 동력 전달 효율 50% 이상, ○: 동력 전달 효율 40% 이상 50% 미만, △: 동력 전달 효율 30% 이상 40% 미만, ×: 동력 전달 효율 30% 미만, 4종류로 평가했다.
다음으로, 이하의 표 2는, 실시예 1∼6 및 비교예 1∼2의, 실용성을 가미한 종합 판정 결과를 나타낸다. 종합 판정의 항목에는, 동력 전달 효율 외에 가공 난도, 내구성이 포함된다. 종합 평가는, 동력 전달 효율, 가공 난도, 내구성 각각의 평가를 가미하여 낸 평가이다. 종합 평가는, ◎: 매우 좋다. ○: 좋다, △: 조금 좋다. ×: 나쁘다, 4종류로 평가했다. 이 종합 판정에서는, 종합 평가가 △ 이상인 것이, 실용적인 파동 기어 장치라고 판단했다.
N/mm2 mm % 판정
외륜
탄성도		 외륜
두께		 외륜
두께율		 재질 전달
효율		 가공
난도		 내구성 종합판정
비교예1 4.1.E-02 0.8 2.4 SUJ2 × ○ ○ ×
비교예2 1.9.E-05 0.5 1.5 PTFE ◎ × × ×
실시예1 7.8.E-05 0.8 2.4 PTFE ◎ △ △ ○
실시예2 5.9.E-04 0.8 2.4 PEEK ◎ △ △ ○
실시예3 2.7.E-02 0.7 2.1 SUJ2 △ ○ ○ △
실시예4 1.0.E-02 0.5 1.5 SUJ2 ○ △ △ △
실시예5 5.1.E-03 0.4 1.2 SUJ2 ○ △ △ △
실시예6 2.7.E-02 0.7 2.1 SUJ2 ○ × ○ △
◎: 매우 좋다. ○: 좋다, △: 조금 좋다. ×: 나쁘다
여기서, 실시예 1은, 본 출원의 청구항 3에 따른 발명에 대응하는 실시 예이다. 실시예 1은 베어링(6)의 외륜(6a) 및 내륜(6b)을, 수지 재료의 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)로 하고(종탄성 계수 E=4.0×102 N/㎟), 외륜(6a) 및 내륜(6b)의 두께를 0.8mm로 하고 있다. 이에 대하여, 비교예 2에서는 수지 재료를 동일한 PTFE로 하고, 외륜(6a) 및 내륜(6b)의 두께를 0.5㎜로 하고 있다. 양자 모두 재질 변경에 의한 종탄성 계수 E의 저감 및 외륜(6a)의 두께의 감소에 의해, 굽힘 강성이 저감되어 양호한 동력 전달 효율을 얻을 수 있으나, 비교예 2에서는, 외륜(6a) 및 내륜(6b)의 두께가 너무 얇아서 내구성에 문제가 있어 실제 사용에 견딜 수 없다.
다음으로, 실시예 2도 또한, 본 출원의 청구항 3에 따른 발명에 대응하는 실시예이다. 실시예 2는, 베어링(6)의 외륜(6a) 및 내륜(6b)을, 수지 재료의 PEEK로하고(종탄성 계수 E = 3.00 × 103N/mm2), 외륜(6a) 및 내륜(6b)의 두께를 0.8mm로 하고 있다. 여기서, 표 3은 실시예 2의 동력 전달 효율을 측정하여 얻어진 구체적인 수치 결과를 나타낸다. 표 3에는, 베어링(6)의 외륜(6a) 및 내륜(6b)을, 베어링강(SUJ2)으로 하고(종 탄성 계수 E=2.08×105 N /mm2, 탄성도= 4.1×10-2N/mm2), 외륜(6a) 및 내륜(6b)의 두께를 0.8mm로 한 비교예 1의 동력 전달 효율을 측정하여 얻어진 구체적인 수치 결과도 함께 나타낸다. 또한, 도 6에는 표 3을 꺾은선 그래프로 나타낸다.
회전수
100 500 1000
실시예 2 51.83 50.99 50.16
비교예 1 30.17 24.97 22.1
표 3 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 실시예 2와 종래 기술의 양쪽에서 동력 전달 효율의 비교 시험을 행한 결과, 실시예 2의 동력 전달 효율은 50% 이상이었지만, 종래 기술의 동력 전달 효율은 약 22~30%으로, 약 2배의 동력 전달 효율의 향상을 확인할 수 있었다. 또한, 베어링(6)의 외륜(6a)의 재질이 PEEK인 경우, 두께율(%)이 2.4 %∼4.4 % 인 것이 바람직하다. 두께율(%)이 2.4%보다 작아지면, 내륜(6b)을 포함하여 외륜(6a)의 두께가 지나치게 얇아져, 충분한 궤도홈 깊이를 확보할 수 없게 된다. 이 경우, 전동체(6c)의 탈륜이 발생하는 것이 우려된다. 또한, 두께율(%)이 4.4%보다 커지면 반대로 외륜(6a)의 두께 t가 지나치게 두꺼워지기 때문에, 탄성도(N/㎟)도 너무 커져 버리기 때문에, 결과적으로, 동력 전달 효율이 악화된다. 따라서, 베어링(6)의 외륜(6a)의 재질이 PEEK인 경우, 두께율(%)은, 2.4%∼4.4%인 것이 바람직하다. 또한, 실시예 2에서는, 외륜(6a) 및 내륜(6b)의 수지 재료로서 PEEK를 사용했지만, 당해 수지 재료는, PTFE, POM 등의 수지 재료, 섬유 강화 플라스틱, 또는, 티탄 합금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등의 경금속 합금 또는 이들 경금속 단체이어도 좋고, 종탄성 계수 E는 0.4GPa 내지 200GPa의 범위가 바람직하다.
실시예 3 내지 5는, 본 출원의 청구항 4에 따른 발명에 상당하는 실시예이다. 베어링(6)의 외륜(6a) 및 내륜(6b)을, 베어링강(SUJ2)으로 하고, 두께율(%)이 비교례 1의 2.4%로부터 각각, 2.1%, 1.5%, 1.2%로 되도록, 외륜(6a) 및 내륜(6b)의 두께만을 변경한 예이다. 외륜(6a)의 두께(t)를 줄임으로써 굽힘 강성(EI)이 감소되고, 비교예 1과 비교하여 동력 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 두께율(%)이 1.2%∼2.1%인 것이 바람직하다. 두께율(%)이 1.2% 보다 작아지면 외륜(6a) 및 내륜(6b)의 두께가 지나치게 얇아진다. 따라서, 외륜 (6a)의 제조가 어려워지고 내구성이 저하된다. 또한, 두께율(%)이 2.1%보다 커지면, 비교예 1과 두께가 거의 변함없이 너무 두꺼워지기 때문에, 탄성도(N/mm2)도 너무 커져 버리기 때문에, 그 결과, 동력 전달 효율이 향상되지 않는다. 이 때문에, 두께율(%)이 2.1% 이하가 되면, 두께의 변화에 의한 전달 효율 손실의 저감이 적어지게 되어, 동력 전달 효율이 그다지 향상되지 않는다. 따라서, 두께율(%)은, 1.2%∼2.1%인 것이 보다 바람직하다.
표 2를 참조하면, 실시예 1∼6 및 비교예 1, 2의 관계로부터, 파동 기어 장치(1)는, 상기 탄성도(N/mm2)가 7.8×10-5∼2.7×10-2 의 범위를 만족하고, 실제 사용에 견딜 수 있는 범위 내에서 동력 전달 효율이 향상되고 있는 것은 분명하다. 보다 바람직하게는, 실시 예 1, 2 및 4와 같이, 상기 탄성도 (N/mm2) 는 7.8 × 10-5 ∼ 1.0 × 10-2 의 범위 이다.
또한, 실시예 1, 2를 참조하면, 굽힘 강성 EI를 억제하는 하나의 방법은, 외륜(6a)을 구성하는 재질을, 종탄성 계수 E가 낮은 재질로 변경하는 것임이 분명하다.
또한, 실시예 3∼5를 참조하면, 굽힘 강성 EI를 억제하는 2번째의 방법은, 외륜(6a)의 두께 t를 얇게 하는 것이 분명하다. 여기서, 도 3에는, 베어링(6)의 외륜(6a)이 도 2의 A-A 단면으로 도시되어 있다. 도 3에서, 부호 w는 외륜 (6a)의 축 방향 폭이다. 또한, 도 3에서, 부호 t는 외륜(6a)의 두께이다. 도 3을 참조하면, 외륜 (6a)의 단면 2차 모멘트 I는 I = (w × t3) / 12 이다. 따라서, 단면 2차 모멘트(I)는, 외륜(6a)의 두께(t)의 3제곱에 비례한다. 따라서, 외륜(6a)의 두께(t)를 얇게 하면, 굽힘 강성 EI를 저감시킬 수 있다.
또한, 굽힘 강성(EI)을 억제하는 3번째의 방법으로서, 단면 2차 모멘트(I)는, 외륜(6a)의 단면 형상, 내부 구조를 변화시킴으로써 저하시킬 수 있다. 구체적인 예로서는, 상기 제2 및 제3 실시예를 들 수 있다.
또한, 실시예 6은, 본 출원의 청구항 5에 따른 발명에 대응하는 실시 예이다. 본 실시예에서는, 베어링(6)의, 전동체(6c), 외륜(6a)의 슬라이딩면(내주면) 및 내륜(6b)의 슬라이딩면(외주면)에 DLC로 이루어지는 경질층이 형성되어 있다. 이것에 의해, 마찰력(F)의 한가지 원인이 되는, 슬라이딩부의 동마찰 계수가 억제됨으로써, 동력 전달 효율이 향상되는 것을 알 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 DLC를 경질층으로서 설명하고 있지만, 상술한 바와 같이, DLC에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 크롬 도금, 질화 처리, 침탄 처리 등을 이용하여 경질층을 작성해도 좋다.
상술한 바는, 본 발명에 관한 복수의 실시형태 및 실시예를 예시한 것에 지나지 않고, 특허청구의 범위에 의하면, 여러 가지 변경이 가능해진다. 본 실시형태에서는, 파동 기어 장치(1)는, 2 로브형으로 설명했지만, 본 발명은 2 로브형에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따르면, 파동 생성 코어(5)는 복수의 로브형이면 된다. 파동 생성 코어(5)의 구체예로서는, 예를 들면, 삼각형의 3 로브형, 사각형의 4 로브형을 들 수 있다. 또한, 상기 설명에서는, 파동 기어 장치(1)의 동력 전달 경로는 파동 발생기(4)를 입력으로 하고, 외치기어(3)를 출력으로 했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
1: 파동 기어 장치 2: 내치기어
2a: 내치 2b: 원환상 본체
3: 외치기어 3a: 외치
3b: 환형 본체 4: 파동 발생기
5: 파동 생성 코어 5a: 정점
6: 베어링 6a: 외륜
6b: 내륜 6c: 전동체
6d: 홈 7: 구동 샤프트
B6; 빈구멍부 P: 맞물림 부분

Claims (5)

  1. 내치기어와, 가요성을 갖는 외치기어와, 외치기어에 파동 운동을 발생시키는 파동 발생기를 포함하고, 상기 파동 발생기는, 상기 외치기어의 내주면에 끼워맞춤하는 베어링을 구비하는 파동 기어 장치로서,
    상기 베어링의 외륜은, 이하의 식 (1)로 구해지는 탄성도를 갖고 있고,
    탄성도 (N/mm2) =E×I×(1/D4)ㆍㆍㆍ(1)
    E: 종탄성 계수, I: 단면 2차 모멘트, D: 외륜의 외경
    또한, 상기 탄성도는 7.8 × 10-5 ∼ 2.7 × 10-2 인 파동 기어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외륜의 종 탄성 계수 E (GPa)는 0.4∼200 인 것을 특징으로하는 파동 기어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 외륜은, 수지 또는 경금속으로 형성되는 파동 기어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 외륜은, 베어링강에 의해 형성되고, 상기 외륜의 외경에 대한 상기 외륜의 두께비인 두께율(%)은 1.2∼2.1인 파동 기어 장비.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외륜은, 전동체에 의해 지지되고, 상기 전동체의 표면과 상기 외륜 또는 상기 내륜에 있어서의 상기 전동체의 궤도면 중 적어도 어느 한쪽에, 상기 외륜의 기재층보다 경도가 높은 경질층이 설치되어 있는 파동 기어 장치.
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