CN101029676A - 谐波齿轮装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种谐波齿轮装置，该谐波齿轮装置对构成谐波齿轮装置的啮合机构的部件自身进行啮合所引发的振动和噪声进行抑制。作为解决方法，在谐波齿轮装置的挠性齿轮部件的圆筒部(31)或者隔板部(32)上，附着有由弹性系数比该挠性齿轮部件低的材料所构成的弹性部件(6)。

Description

谐波齿轮装置

技术领域

本发明涉及一种小型、轻量而且可以得到高精度、高减速比的谐波齿轮装置，特别涉及一种谐波齿轮装置，该谐波齿轮装置适用于在运转的静音效果和流畅度上有所要求的机器人的关节驱动部、半导体驱动装置、精密致动器用减速机等的自动化机械的领域，该谐波齿轮装置还适用于在宇宙技术的领域中作为控制机构、驱动机构。

背景技术

谐波齿轮装置是用于传递动力的齿轮减速装置，该谐波齿轮装置轻量、紧凑并且可得到高精度、高减速比而不使用复杂的机构、结构，而且齿隙非常小，该谐波齿轮装置作为具有挠性齿轮的齿轮减速装置已经公知。

作为现有的谐波齿轮装置，其代表性的结构(参照专利文献1)中具有谐波发生器，该谐波发生器使环状的刚性内齿齿轮与弹性的挠性啮合式的挠性外齿齿轮局部啮合，并且通过利用弹性的挠性，从而使该啮合位置根据两个齿轮的齿数差而向圆周方向移动。

如图4和5所示，专利文献1所述的谐波齿轮装置具有：环状的刚性齿轮部件200；配置在该刚性齿轮部件200内侧的挠性外齿齿轮300；和通过轴承而嵌入该挠性外齿齿轮300内侧的椭圆形的谐波发生器400。挠性外齿齿轮300具有：圆筒状的圆筒部310；与该圆筒部310的基端侧相连的环状的隔板(diaphragm)部320；在该隔板部320的中心处一体地形成的凸缘(安装部)330；和形成于圆筒部310的末端侧的开口端部的外周面上的外齿340。

当谐波发生器400通过驱动源的电动机旋转轴等而旋转时，挠性外齿齿轮300与轴承的可弹性变形的外圈一起发生弹性变形，刚性齿轮部件200和挠性外齿齿轮300两个齿轮的啮合位置向圆周方向移动。一般地，由于刚性齿轮部件200的一侧固定于固定部上，所以根据刚性齿轮部件200和挠性外齿齿轮300两个齿轮的齿数差，从挠性外齿齿轮300侧的凸缘(安装部)330将大幅减速后的旋转进行输出。

关于挠性外齿齿轮300，允许弹性变形的圆筒部310和环状的隔板部320通过弯曲部而相互连接，该弯曲部从圆筒部310一方的基端侧朝向半径方向的内侧。挠性外齿齿轮300具有：环状的凸缘(安装部)330，其与该隔板部320的内周边缘一体地形成；和外齿340，其形成在圆筒部310另一方的末端侧的开口端部的外周面上。

由于与其他形式的渐开线行星减速机、摆线行星减速机等的减速机相比，该现有的谐波齿轮装置100小型轻量且没有齿隙，所以适用于精密定位用途等。但是，该谐波齿轮装置具有难以抑制装置内部的啮合机构所产生的振动的问题。

作为对上述专利文献1所述的谐波齿轮装置100中的上述振动特性问题进行改善的技术，提出有扁平型谐波齿轮装置(参照专利文献2)，即、将上述圆筒部310中的形成有上述外齿轮340的部分之外的轴线方向长度设定为，小于上述隔板部的半径方向长度的尺寸。

上述专利文献2所述的扁平型谐波齿轮装置是外径尺寸大、轴线方向长度小的扁平的谐波齿轮装置。在该扁平型谐波齿轮装置中公知有如下内容：提高了刚性、衰减能力和齿轮精度，在维持轻量且紧凑的特长的同时还能够实现振动的降低。

专利文献1：日本特开平10-110790号公报(第0002～0003段、图1和图2)

专利文献2：日本再公表特许WO98/53224号公报(第6～7页、图1)

但是，上述专利文献1所述的谐波齿轮装置100，由于通过谐波发生器400的旋转来进行刚性齿轮部件200和挠性外齿齿轮300的啮合，所以具有难以抑制啮合机构产生高噪声的问题。

在上述专利文献2所述的扁平型谐波齿轮装置中，虽然对上述专利文献1的谐波齿轮装置100中的上述振动特性问题进行了改善，但在相反的方面，由于将刚性和衰减能力维持得较高，所以在静音效果、柔软性上有所要求的机器人等的商品中的使用方面，仍然残留有需要降低驱动部噪声的问题。

由于谐波齿轮装置构成有挠性啮合齿轮，所以挠性齿轮(flexspline)的可弹性变形的薄壁挠性部分必须薄且具备高强度。因此，为了解决上述噪声的问题而对谐波齿轮装置的结构部件的高响应性控制则成为激励源，薄壁挠性部分进行振动并在圆筒部中引发共鸣现象，所以在以往技术中也如上所述难以同时解决振动问题和噪声问题。

在将谐波齿轮装置用于机器人时，电动机与谐波发生器连接，伴随响应电动机转速的频率，被驱动系统的上述薄壁部的圆筒部中的共鸣现象引发噪声问题，其结果为，有损安静的运转，带给部件疲劳以影响等，使商品品质恶化。例如，在挠性齿轮(flexspline)的振动频率的固有值为200Hz左右、驱动源的电动机转速为6000rpm(100Hz)、控制的响应频率为1KHz的情况下，有时会成为较易发生谐振的状态。

发明内容

本发明就是鉴于上述现有技术的问题而完成的，其课题在于提供一种谐波齿轮装置，该谐波齿轮装置可以对构成谐波齿轮装置的啮合机构的部件自身进行啮合所引发的振动和噪声进行抑制。

为解决本发明的上述课题而提出的方法如下所述。

在发明的第一方面，谐波齿轮装置具有挠性齿轮部件和刚性齿轮部件，其特征在于，在上述挠性齿轮部件的安装部和齿部之间所设置的薄壁挠性部分上，附着有弹性系数比该挠性齿轮部件低的材料。

通过该结构，能够容易地抑制挠性齿轮部件的振动，可以降低噪声。

在发明的第二方面，根据发明的第一方面的谐波齿轮装置，其特征在于，上述弹性系数低的材料附着于上述薄壁挠性部分的上述齿部的齿面侧或者齿面相反侧中的任一方上。

通过该结构，能够容易地抑制挠性齿轮部件的振动，可以进一步提高柔软性。

在发明的第三方面，根据发明的第一或第二方面的谐波齿轮装置，其特征在于，上述薄壁挠性部分具有圆筒部和与该圆筒部相连的隔板部，上述弹性系数低的材料附着于上述圆筒部和上述隔板部中的至少一方上。

通过该结构，能够容易地抑制挠性齿轮部件的振动，除了控振效果之外还可以进一步提高柔软性。

在发明的第四方面，根据发明的第三方面的谐波齿轮装置，其特征在于，上述弹性系数低的材料在上述挠性齿轮部件的上述圆筒部和上述隔板部所产生的振动的最大振幅点附近比其他部分附着得多。

通过该结构，能够通过抑制振动较大的部位，来提高噪声降低效果。

在发明的第五方面，根据发明的第四方面的谐波齿轮装置，其特征在于，上述最大振幅点为上述挠性齿轮部件的上述圆筒部和上述隔板部所产生的初级弯曲振动的波腹部。

通过该结构，能够降低低频噪声。

在发明的第六方面，谐波齿轮装置具有挠性齿轮部件和刚性齿轮部件，其特征在于，在设于挠性齿轮部件的安装部和齿部之间的薄壁挠性部分上附着有吸音性材料。

通过该结构，可以降低在薄壁挠性部分产生共鸣的噪声。

根据本发明，在谐波齿轮装置的挠性齿轮部件的薄壁部分即薄壁挠性部分上，附着有弹性系数比上述挠性齿轮部件低的材料或者吸音性材料，通过这样简单的结构，可以抑制构成啮合机构的挠性齿轮部件自身的啮合所引发的振动和噪声，通过简单的结构可以得到优秀的运转静音效果，进而，作为齿轮驱动系统，根据其使用部位、需要输出等使用状况，可以达到最适当的控振效果和噪声抑制效果，能够提供一种既能维持柔软性又能减轻部件疲劳，同时还能提高商品的品质和可靠性的谐波齿轮装置。

附图说明

图1是本实施方式的谐波齿轮装置的立体剖面图。

图2是表示本实施方式的谐波齿轮装置的挠性齿轮部件的主要部分的示意图。

图3是表示本实施方式的谐波齿轮装置的挠性齿轮部件的初级弯曲振动状态的示意图。

图4是现有技术下的谐波齿轮装置的剖面图。

图5是现有技术下的谐波齿轮装置的侧视图。

标号说明

1：谐波齿轮装置

2：刚性齿轮部件

21：齿部(内齿)

22：刚性齿轮安装部

3：挠性齿轮部件(挠性齿：flexspline)

31：内筒部

32：隔板部

33：安装部

34：齿部(外齿)

4：谐波发生器

41：凸轮部

5：轴承

6：弹性部件(弹性系数低的材料)

6’：吸音部件(吸音性材料)

具体实施方式

下面，适当地参照附图对用于实施本发明的最佳方式进行说明。

图1是本实施方式的谐波齿轮装置的立体剖面图。图2是表示本实施方式的谐波齿轮装置的挠性齿轮部件的主要部分的示意图。图3是表示本实施方式的谐波齿轮装置的挠性齿轮部件的初级弯曲振动状态的示意图。

如图1所示，谐波齿轮装置1主要由环状的刚性齿轮部件2、可弹性变形的环状的挠性齿轮部件(挠性齿：flexspline)3和谐波发生器4构成。在本发明的实施方式所涉及的谐波齿轮装置1中，省略与公知的谐波齿轮装置(挠性齿：flexspline)重复的详细说明。

上述刚性齿轮部件2具有：齿部21，其形成在该刚性齿轮部件2的内周部上；和刚性齿轮安装部22，其用于将该刚性齿轮部件2的外周部固定在未图示的固定部件上。上述挠性齿轮部件3具有：与未图示的输出部件连接的安装部33，和与刚性齿轮部件2的齿部21啮合的齿部34。

上述安装部33设在挠性齿轮部件3的一端上，上述齿部34设于挠性齿轮部件3的另一端上。在该挠性齿轮部件3上设有薄壁挠性部分，该薄壁挠性部分形成在将上述安装部33和齿部34之间连接起来的薄壁上，在该薄壁挠性部分上附着有弹性系数比上述挠性齿轮部件3低的材料或者吸音性材料。而且，将在后面说明吸音性材料。

如图1所示，谐波齿轮装置1构成为：形成于上述刚性齿轮部件2的齿部21上的内齿与形成于上述挠性齿轮部件3的齿部34上的外齿相啮合。上述谐波发生器4由椭圆状的凸轮部41构成，该凸轮部41使上述挠性齿轮部件3的齿部34弯曲为非圆形的椭圆形状等，以用于使外齿与上述刚性齿轮部件2的内齿啮合。

而且，在本实施方式中，对上述刚性齿轮部件2以在其内周具有内齿为例进行说明，但本发明不限于此，相反还可以应用于在外周具有外齿的结构。另外，上述挠性齿轮部件3也可以适用于在其内周具有内齿的结构，来代替在外周具有外齿的结构。上述谐波发生器4也不限于本实施方式，例如还可以使用具有电磁铁和磁性流体所构成的谐波发生器，来代替具有椭圆状的凸轮部的结构。

如图1所示，挠性齿轮部件3的上述薄壁挠性部分具有：在轴向上形成为圆筒状的圆筒部31；和与该圆筒部31的基端侧连续地在半径方向上连接的隔板部32。

上述挠性齿轮部件3的安装部33从上述隔板部32进一步向半径方向外侧或者内侧连续地延伸连接而形成环状。在本实施方式中，如图所示，以将安装部33向半径方向外侧延伸而形成环状为例进行说明。

该挠性齿轮部件3可以整体由挠性材料形成，但包含上述圆筒部31和上述隔板部32的上述薄壁挠性部分至少由挠性材料形成，而且形成为可进行弹性变形的薄壁。另一方面，环状的安装部33形成为厚壁，设有螺栓等的安装用孔。而且，挠性齿轮部件3的齿部34也构成为可进行弹性变形。

齿部34形成于上述挠性齿轮部件3的圆筒部31的末端侧的开口端部的外周面上，在该齿部34上形成有朝向放射方向的外齿。为了形成该外齿，挠性齿轮部件3的端部形成得比圆筒部31的主体部分略厚。上述隔板部32从上述圆筒部31的一端经由弯曲部35沿半径方向连续地延伸而连接。上述安装部33沿上述隔板部32的半径方向连续地延伸而连接。

刚性齿轮部件2由刚性体形成，在其内周侧上朝向半径方向在齿部21上形成有内齿。刚性齿轮部件2的内齿构成为：经由外嵌于上述谐波发生器4的椭圆状的凸轮部41上的挠性轴承5，而与形成于挠性齿轮部件3上的齿部34的外齿局部地啮合。

谐波发生器4具有凸轮部41，并固定在未图示的电动机等的旋转轴上。凸轮部41的外周面由于电动机等的旋转驱动而形成为椭圆状，以发挥凸轮作用。

该凸轮部41起到如下作用：使挠性齿轮部件3的外齿向半径方向弯曲，以便使挠性齿轮部件3的外齿相对于刚性齿轮部件2的内齿局部啮合。

如图2所示，在挠性齿轮部件3的结构中，上述薄壁挠性部分是通过上述圆筒部31、上述弯曲部35和上述隔板部32而一体地形成的。

轴承5具有由保持器所保持的滚动体51、内圈52和外圈53。轴承5的内圈52固定于谐波发生器4的凸轮部41的外周，其外圈53嵌合于齿部34的背面侧，其中该齿部34形成在挠性齿轮部件3的上述圆筒部31的末端侧的开口端部上。轴承5的外圈53构成为可进行弹性变形。

在挠性齿轮部件3的上述薄壁挠性部分的圆筒部31和隔板部32上，在遍及单面侧或者两面侧上，整面地或者局部地附着有弹性系数比上述挠性齿轮部件3低的材料、即弹性部件6。另外，该弹性部件6也可以附着于上述圆筒部31和隔板部32中的至少某一方上。

图2表示形成为片(sheet)状时的上述弹性部件6，整面地附着于包含上述圆筒部31和隔板部32的上述薄壁挠性部分的两面侧上的状态。在使弹性部件6局部地附着于上述薄壁挠性部分时，可以在上述薄壁挠性部分的适当部位进行附着，但特别是为了发挥最大的振动抑制效果，而局部地使附着于圆筒部31或隔板部32的最大振幅点附近的弹性部件6比附着于其他部分的弹性部件6厚，例如以增多附着量的方式进行附着。

此时，如果附着量比其他部分多的部位是成为初级弯曲振动的最大振幅点的波腹部的部位，则可以进一步降低低频噪声。

图3表示挠性齿轮部件2的初级弯曲振动状态。在该图中示意性地表示了下面的例子：在上述圆筒部31中，在齿部34的齿面侧的初级弯曲振动的最大振幅点的波腹部的部位，局部地附着了比图2的片状弹性材料厚的弹性部件6。该弹性部件6在上述圆筒部31的周向上连续地附着。

虽然没有图示，但可以将弹性部件6附着于圆筒部31的齿面相反侧，另外还可以局部地附着于圆筒部31的两面侧上。即使是局部地，如果在最大振幅点附近的部位上附着上述弹性部件6，通过抑制振动大的最大振幅点附近的振动，从而可以提高噪声降低效果。

另外，如图3所示，如果将附着上述弹性部件6的部位选为初级弯曲振动的最大振幅点的波腹部的部位，则可以选择性地降低低频噪声。

而且，在本发明中，所谓局部是指，除了在轴向外还可在环向或者周向呈带状，并且还包含有点状、交错状等的间断的情况。另外，关于上述薄壁挠性部分的圆筒部31和隔板部32，所谓所述齿面侧是指形成有齿部34的面的一侧，所谓齿面相反侧是指形成有齿部34的面的相反侧。

作为上述弹性系数低的材料例如优选为，由橡胶、树脂、纤维等构成的片状的、具有控振性能、吸振性能的材料。特别地，上述弹性系数低的材料优选为具有振动衰减性能的材料，振动衰减性能是可以抑制与上述薄壁挠性部分的振动对应的谐振频率和共鸣频率的性能。另外，上述弹性系数低的材料只要是具备了对上述薄壁挠性部分具有控振性能或吸振性能的性质和质量的材料即可，但优选为较薄的材料。关于弹性系数低的材料，可以对圆筒部31和隔板部32使用相同性质的材料，也可以根据振动抑制和吸振性能等目的而使用各自不同的材料。

弹性部件6作为上述弹性系数低的材料，关于该弹性部件6的附着可以通过公知的适当手段或方法来进行，例如，除了机械式固定方法，还包括流动性材料的涂布或烘烤、固化粘接、固体材料和片状、膜状材料的包覆和粘接剂的粘接等。

(谐波齿轮装置的运转)

下面，对谐波齿轮装置的运转进行说明。

当用电动机等来驱动谐波发生器4时，通过未图示的输入轴而使谐波发生器4的凸轮部41进行旋转。伴随于此，通过凸轮部41并经由轴承5的可弹性变形的外圈53，挠性齿轮部件3的圆筒部31弯曲成椭圆形并连续地变形，同时将挠性齿轮部件3的外齿与刚性齿轮部件2的内齿的啮合位置向圆周方向依次移动。

由于例如在本实施方式中刚性齿轮部件2与挠性齿轮部件3的齿数相差4个，所以两个齿轮部件2、3的齿的啮合位置在两个齿轮部件2、3之间产生与该齿数差对应的相对旋转。从而，由于刚性齿轮部件2侧被固定为不会进行相对旋转，所以根据上述两个齿轮部件2、3的齿数差，大幅减速后的旋转被从挠性齿轮部件3侧传递至未图示的输出侧而输出。

根据该谐波齿轮装置1的动作，由于通过轴承5的可弹性变形的外圈53，挠性齿轮部件3的圆筒部31进行弹性变形，所以产生预负荷，以便将挠性齿轮部件3的外齿向刚性齿轮部件2的内齿施力，从而挠性齿轮部件3的外齿和刚性齿轮部件2的内齿的游隙被吸收，并且可以实现齿隙降低等的提高。

在谐波齿轮装置1的运转中，通过挠性齿轮部件3和刚性齿轮部件2的啮合，从而当通过谐波发生器4的凸轮部41而使挠性齿轮部件3的上述薄壁挠性部分弯曲成椭圆形并连续变形时，产生振动，诱发振动声。当该振动到达谐振点时，由于上述薄壁挠性部分和外围部件所构成的空间中产生的共鸣就会产生噪声。

此时，作为上述弹性系数低的材料的弹性部件6，附着于作为上述薄壁挠性部分的圆筒部31和/或隔板部32上，从而可以将齿轮驱动系统中固有频率的谐振点抑制为低值，可以降低振动的谐振和由于上述薄壁挠性部分和外围部件所构成的空间中的共鸣所产生的噪声。特别地，如果将上述弹性部件6附着于振动大的初级弯曲振动的最大振幅点附近，则通过抑制振动大的最大振幅点附近，可以提高噪声降低效果。或者，如果将上述弹性部件6附着于作为初级弯曲振动的最大振幅点的波腹部位，则可以选择性地降低低频的噪声。

在本实施方式中，作为降低上述振动的器材的弹性部件6的特征在于，由上述那样弹性系数比挠性齿轮部件3低的材料形成。另外，上述弹性系数低的材料的弹性系数优选设定为，使上述挠性齿轮部件3的圆筒部31和隔板部32所构成的薄壁挠性部分的谐振频率衰减的值。

上述弹性系数低的材料如上所述不仅可以附着于上述薄壁挠性部分的齿面侧，还可以附着于齿面相反侧，另外还可以附着于其两方。

进而，可以使用毡等织物或非织物等构成的吸音性材料，来代替上述弹性系数低的材料。在本实施方式中，在图2和图3中，将作为该吸音性材料的吸音部件用与上述弹性部件类似的标号6’来图示。下面说明吸音部件6’。

可以将作为上述吸音性材料的吸音部件6’通过粘接等与上述弹性部件6同样的方法，附着于上述薄壁挠性部分的齿面侧和齿面相反侧中的至少某一方上。通过附着这种吸音部件6’，可以降低由于上述薄壁挠性部分和外围部件所构成的空间中的共鸣所产生的噪声。该吸音部件6’还可以如上所述只附着于圆筒部31的局部。而且，在图2和图3中，吸音部件用与弹性部件类似的标号6’来图示。

关于作为将上述弹性系数低的材料的弹性部件6或作为吸音性材料的吸音部件6’的安装于上述薄壁挠性部分的安装方法，可以用机械式固定方法，也可以用粘接剂来进行固定。利用附着有上述弹性部件6或吸音部件6’的简单的结构，来将上述薄壁挠性部分的谐振频率衰减、抑制或吸收，从而降低由于共鸣等所产生的噪声，可以实现挠性啮合式的谐波齿轮装置中运转的静音效果的提高和既维持柔软性又降低部件疲劳的目的。

如上所述，根据本发明的实施方式，通过将上述弹性系数低的材料附着于谐波齿轮装置的挠性齿轮部件的薄壁部分、即挠性齿轮部件的圆筒部和隔板部上这种的简单结构，从而通过与相对侧的齿轮进行谐波状的啮合，从而在作为薄壁部分的圆筒部和隔板部上连续地产生弯曲振动，通过该连续性的弯曲振动，而即使在产生噪声的情况下，由于上述弹性系数低的材料的控振效果，也可以既维持柔软性又降低噪声和部件疲劳。

另外，根据本发明的实施方式，通过将吸音性材料附着于谐波齿轮装置的挠性齿轮部件这种的简单结构，从而由于上述吸音性材料的吸音效果，可以抑制共鸣现象的产生，可以既维持柔软性又降低噪声和部件疲劳。

本发明通过将上述弹性系数低的材料和上述吸音性材料附着于谐波齿轮装置的挠性齿轮部件这种的简单结构，从而可以根据作为机器人的关节驱动部等的齿轮驱动系统装配了谐波齿轮装置的使用部位、需要输出等的使用状况而达到最适当的控振效果和共鸣等的噪声抑制效果。

Claims (6)

1.一种谐波齿轮装置，该谐波齿轮装置具有挠性齿轮部件和刚性齿轮部件，其特征在于，

在上述挠性齿轮部件的安装部和齿部之间所设置的薄壁挠性部分上，附着有弹性系数比该挠性齿轮部件低的材料。

2.根据权利要求1所述的谐波齿轮装置，其特征在于，

上述弹性系数低的材料附着于上述薄壁挠性部分的上述齿部的齿面侧或者齿面相反侧中的任一方上。

3.根据权利要求1或2所述的谐波齿轮装置，其特征在于，

上述薄壁挠性部分具有圆筒部和与该圆筒部相连的隔板部，上述弹性系数低的材料附着于上述圆筒部和上述隔板部中的至少一方上。

4.根据权利要求3所述的谐波齿轮装置，其特征在于，

上述弹性系数低的材料在上述挠性齿轮部件的上述圆筒部和上述隔板部所产生的振动的最大振幅点附近比其他部分附着得多。

5.根据权利要求4所述的谐波齿轮装置，其特征在于，

上述最大振幅点为上述挠性齿轮部件的上述圆筒部和上述隔板部所产生的初级弯曲振动的波腹部。

6.一种谐波齿轮装置，该谐波齿轮装置具有挠性齿轮部件和刚性齿轮部件，其特征在于，

在设于挠性齿轮部件的安装部和齿部之间的薄壁挠性部分上附着有吸音性材料。

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