DE112011105628T5

DE112011105628T5 - Verformungswellgetriebe, das aus Vibration Energie erzeugt

Info

Publication number: DE112011105628T5
Application number: DE112011105628.1T
Authority: DE
Inventors: Yusuke Shibamoto
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2014-08-28
Also published as: KR20140062098A; KR101746070B1; JP5840214B2; US9425712B2; JPWO2013038463A1; WO2013038463A1; US20140217855A1

Abstract

Ein Verformungswellgetriebe (1) umfasst ein steifes, innenverzahntes Zahnrad (2), ein flexibles, außenverzahntes Zahnrad (3), das koaxial darin angeordnet und in radialer Richtung verbiegbar ist, und einen Wellgenerator (4), der koaxial innerhalb des außenverzahnten Zahnrades angeordnet ist. Das flexible außenverzahnte Zahnrad (3) wird durch den Wellgenerator (4) in radialer Richtung gebogen und greift in Bereichen in das steife innenverzahnte Zahnrad (2) ein. Wenn sich die Position des Eingriffs des steifen, innenverzahnten Zahnrades (2) in das flexible außenverzahnte Zahnrad (3) in Umfangsrichtung bewegt, wenn der Wellgenerator (4) rotiert, wird eine relative Rotation zwischen den beiden Zahnrädern (2, 3) erzeugt, die der Differenz in der Anzahl der Zähne zwischen den beiden Zahnrädern (2, 3) entspricht. Auf dem flexiblen außenverzahnten Zahnrad (3) ist ein durch Vibration angetriebener Generator (5) angeordnet. Der durch Vibration angetriebene Generator (5) hat ein piezoelektrisches Element (7), das in Folge der Biegebewegung des zylindrischen Bereichs (31) des flexiblen außenverzahnten Zahnrades (3), das wiederholt gebogen wird, wenn der Wellgenerator (4) rotiert, bewegt wird und elektrische Energie erzeugt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verformungswellgetriebe zum Erzeugen elektrischer Energie durch Vibration, das eine Biegebewegung eines flexiblen außen verzahnten Zahnrades, das wiederholt gebogen wird, nutzt, um die Drehzahl zu reduzieren.
Stand der Technik
Ein Verformungswellgetriebe hat typischerweise ein ringförmiges steifes innen verzahntes Zahnrad, ein flexibles außen verzahntes Zahnrad, das koaxial darin angeordnet ist, und einen zusätzlich darin eingepassten Wellgenerator. Es gibt flexible außen verzahnte Zahnräder, die „von flacher Form”, „becherförmig” und „zylinderhutförmig” genannt werden. Ein flexibles außen verzahntes Zahnrad der flachen Form hat einen Aufbau, in dem die Außenverzahnung auf einer kreisförmigen äußeren Umfangsfläche eines flexiblen zylindrischen Bereichs ausgebildet ist. Becherförmige und zylinderhutförmige flexible außen verzahnte Zahnräder haben einen flexiblen zylindrischen Bereich, eine scheibenförmige Membran, die sich in radialer Richtung von einem hinteren Ende des zylindrischen Bereichs ausgehend erstreckt, und eine Außenverzahnung, die auf einem Bereich der äußeren Umfangsfläche an einer Öffnung am vorderen Ende des zylindrischen Bereichs ausgebildet ist. Der Bereich an der Öffnung am vorderen Ende des zylindrischen Bereichs des flexiblen außen verzahnten Zahnrades wird durch den Wellgenerator in eine nicht-kreisförmige, im Wesentlichen elliptische, Form gebogen und die Außenverzahnung greift an beiden Enden der Hauptachse der Ellipse in die Innenverzahnung des innen verzahnten Zahnrades ein.
In einem becherförmigen flexiblen außen verzahnten Zahnrad erstreckt sich die Membran vom zylindrischen Bereich in radialer Richtung nach innen, und auf einem inneren Umfangsrand der Membran ist integral eine Nabe ausgebildet. In einem zylinderhutförmigen flexiblen außen verzahnten Zahnrad spreizt sich die Membran vom zylindrischen Bereich in radialer Richtung nach außen, und eine Nabe ist integral auf einem äußeren Umfangsrand der Membran ausgebildet.
In einem flexiblen außen verzahnten Zahnrad jeder Form wird der zylindrische Bereich, auf dem die Außenverzahnung ausgebildet ist, wiederholt durch den Wellgenerator gebogen. In einem becherförmigen oder zylinderhutförmigen flexiblen außen verzahnten Zahnrad wird der Bereich an der Öffnung am vorderen Ende, wo die Außenverzahnung auf dem zylindrischen Bereich ausgebildet ist, durch den Wellgenerator elliptisch verbogen. Daher nimmt das Ausmaß der Biegung des zylindrischen Bereichs der flexiblen außen verzahnten Zahnrades im elliptisch gebogenen Zustand in einem Querschnitt, der die Hauptachse der Ellipse enthält, entlang der Zahnbahnrichtung der Außenverzahnung vom membranseitigen Ende zur Öffnung am vorderen Ende allmählich zu. Umgekehrt nimmt in einem Querschnitt, der die Nebenachse der Ellipse enthält, das Ausmaß der Verbiegung vom membranseitigen Ende zur Öffnung am vorderen Ende allmählich ab. Dementsprechend tritt zusammen mit der Rotation des Wellgenerators in jedem Bereich des flexiblen außen verzahnten Zahnrades eine „Konen” genannte Biegebewegung auf, in der der offene Bereich am vorderen Ende wiederholt um das membranseitige Ende in radialer Richtung nach außen und innen gebogen wird.
Der Wellgenerator zum elliptischen Verbiegen des flexiblen außen verzahnten Zahnrades hat im allgemeinen eine Struktur, in der eine Nockenplatte, die einen steifen Körper mit einem elliptischen Umfang hat, mittels Kugellager in die Öffnung am vorderen Ende des zylindrischen Bereichs des flexiblen außen verzahnten Zahnrades eingepasst ist. Die Kugellager werden „Welllager” genannt, und ein äußerer Laufring und ein innerer Laufring davon können sich in radialer Richtung verbiegen.
Es ist auch ein Wellgenerator bekannt, der so aufgebaut ist, dass das flexible außen verzahnte Zahnrad durch Verwenden eines piezoelektrischen Elements anstelle einer Nockenplatte mit elliptischem Umfang elliptisch gebogen wird. Verformungswellgetriebe mit dieser Art von Wellgenerator sind in den Patentdokumenten 1 und 2 offenbart.
Inzwischen ist auch ein Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe bekannt und im Patentdokument 2 beschrieben, das die Drehzahl unter Verwendung des gleichen Prinzips wie ein Verformungswellgetriebe reduziert. Auch in diesem Typ von Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe wird ein flexibler Ring davon durch einen Wellgenerator in radialer Richtung gebogen und jeder Bereich des flexiblen Ringes wird zusammen mit der Rotation des Wellgenerators wiederholt in radialer Richtung gebogen.
Dokumente des Standes der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP-A 02-261944
Patentdokument 2: JP-A 2007-71242

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösenden Aufgaben
Bereiche des flexiblen außen verzahnten Zahnrades des Wellgetriebes und des flexiblen Ringes des Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebes werden also wiederholt durch den Wellgenerator in radialer Richtung gebogen. Die vorliegende Erfindung wurde mit besonderer Fokussierung auf die Biegebewegung des flexiblen außen verzahnten Zahnrades und des flexiblen Ringes gemacht, und ihre Aufgabe ist es, ein Verformungswellgetriebe und ein Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe bereitzustellen, die durch Nutzen der Biegebewegung des flexiblen außen verzahnten Zahnrades und des flexiblen Ringes Energie erzeugen können.
Mittel zum Lösen der Aufgaben
Um die zuvor genannten Aufgaben zu lösen, hat ein Verformungswellgetriebe gemäß der vorliegenden Erfindung ein ringförmiges steifes innen verzahntes Zahnrad, ein flexibles außen verzahntes Zahnrad, das koaxial innerhalb des steifen innen verzahnten Zahnrades angeordnet und in der Lage ist, sich in seiner radialen Richtung zu biegen, und einen Wellgenerator, der koaxial innerhalb des flexiblen außen verzahnten Zahnrades angeordnet ist, wobei das flexible außen verzahnte Zahnrad durch den Wellgenerator in radialer Richtung gebogen und in Eingriff mit dem steifen innen verzahnten Zahnrad gebracht wird, und wobei, wenn sich bei der Rotation des Wellgenerators eine Position, an der das steife innen verzahnte Zahnrad und das flexible außen verzahnte Zahnrad ineinander greifen, entlang ihres Umfangs bewegt, die Zahnräder in Übereinstimmung mit einer Differenz in der Anzahl der Zähne zwischen den Zahnrädern gegeneinander rotieren, wobei das Verformungswellgetriebe dadurch gekennzeichnet ist, dass
das flexible außen verzahnten Zahnrad mit einem durch Vibration angetriebenen Generator ausgestattet ist; und
der durch Vibration angetriebene Generator aus einer Biegebewegung des flexiblen außen verzahnten Zahnrades, das wiederholt gebogen wird, wenn der Wellgenerator rotiert, elektrische Energie erzeugt.
Der hier verwendete durch Vibration angetriebene Generator kann ein piezoelektrisches Element, das den piezoelektrischen Effekt nutzt, ein Element, dass eine Veränderung elektrischer Kapazität nutzt, oder ein Element, das elektromagnetische Induktion nutzt, sein.
Wenn das flexible außen verzahnte Zahnrad ein flaches Profil hat, können zum Beispiel ein Ende oder beide Enden des Bereiches, in dem die Außenverzahnung auf dem zylindrischen Bereich ausgebildet ist, in axialer Richtung verlängert sein, und das piezoelektrische oder andere energieerzeugende Element kann an dem verlängerten Bereich angebracht sein, so dass die sich wiederholende mechanische Spannung oder Ähnliches, zusammen mit der Biegebewegung des zylindrischen Bereichs fluktuiert. Im Falle eines becherförmigen oder zylinderhutförmigen flexiblen außen verzahnten Zahnrades kann das piezoelektrisch oder auf andere Weise energieerzeugende Element an einer Stelle des zylindrischen Bereichs und/oder der Membran des flexiblen außen verzahnten Zahnrades angebracht sein. Wenn ein piezoelektrisches Element benutzt wird, wird es, unter Berücksichtigung von Betriebseigenschaften und Ähnlichem, vorzugsweise an der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs des flexiblen außen verzahnten Zahnrades befestigt. Um die Menge der erzeugten Energie zu vergrößern, wird das energieerzeugende Element vorzugsweise am gesamten zylindrischen Bereich und nicht nur einer Stelle des zylindrischen Bereichs angebracht.
Da eine Verdrahtung aus dem energieerzeugenden Element geführt wird, wird das flexible außen verzahnte Zahnrad, an dem das energieerzeugende Element angebracht ist, vorzugsweise so gelagert, dass es nicht rotiert, und das steife innen verzahnte Zahnrad wird frei rotierbar gelagert, und von dem steifen innen verzahnten Zahnrad wird eine Ausgangsrotation mit reduzierter Drehzahl abgenommen.
Das Verformungswellgetriebe wird häufig so eingesetzt, dass die Zeit, in der der Wellgenerator angetrieben wird, um mit konstanter, kontinuierlicher Drehzahl zu rotieren, kurz ist und eine stabile Energieerzeugung schwierig ist. Die Frequenz der Biegefluktuation in der Biegebewegung des flexiblen außen verzahnten Zahnrades kann gering sein, und die Effizienz der Energieerzeugung des energieerzeugenden Elementes kann gering sein. Daher wird vorzugsweise eine Speichereinheit für elektrische Energie zur Speicherung der elektrischen Energie, die von dem durch Vibration angetriebenen Generator erzeugt wird, bereitgestellt, und elektrische Energie wird gespeichert, so das von der Speichereinheit für elektrische Energie stabile elektrische Energie ausgegeben werden kann.
Als Nächstes ist die vorliegende Erfindung auch auf ein Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe anwendbar. Insbesondere hat ein Reibungskopplungs-Vertormungswellgetriebe gemäß der vorliegenden Erfindung einen steifen Ring mit einer kreisförmigen inneren Umfangsfläche, die als erste Reibungskopplungsfläche benutzt wird, einen flexiblen Ring, der koaxial innerhalb des steifen Ringes angeordnet ist und eine kreisförmige äußere Umfangsfläche hat, die als zweite Reibungskopplungsfläche benutzt wird, und einen Wellgenerator, der koaxial auf der Innenseite des flexiblen Ringes angeordnet ist. Der flexible Ring wird durch den Wellgenerator in radialer Richtung gebogen und koppelt durch Reibung teilweise mit dem steifen Ring, und, wenn sich die Position der Reibungskopplung bei einer Rotation des Wellgenerators in Umfangsrichtung bewegt, rotieren die Ringe entsprechend der Differenz der Umfangslängen der Reibungskopplungsflächen der beiden Ringe relativ zueinander. Das Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe ist dadurch gekennzeichnet, dass:
der flexible Ring mit einem durch Vibration angetriebenen Generator ausgestattet ist; und
der durch Vibration angetriebene Generator aus einer Biegebewegung des flexiblen Ringes, der wiederholt gebogen wird, wenn der Wellgenerator rotiert, elektrische Energie erzeugt.
Auch in diesem Fall kann der verwendete durch Vibration angetriebene Generator ein piezoelektrisches Element, das den piezoelektrischen Effekt nutzt, ein Element, das einer Veränderung elektrostatischer Kapazität nutzt, oder ein Element, das elektromagnetische Induktion nutzt, sein.
Wenn der flexible Ring ein flaches Profil hat, sind zum Beispiel eines oder beide Enden des Bereiches, in dem die zweite Reibungskopplungsfläche auf dem zylindrischen Bereich ausgebildet ist, in axialer Richtung verlängert und das piezoelektrische oder andere energieerzeugende Element ist so an dem verlängerten Bereich befestigt, dass die sich wiederholende mechanische Spannung, oder Ähnliches, zusammen mit der Biegebewegung des zylindrischen Bereichs fluktuiert. Im Falle eine becherförmigen oder zylinderhutförmigen flexiblen Ringes kann das piezoelektrische oder andere energieerzeugende Element an wenigstens einer Stelle zwischen dem zylindrischen Bereich und der Membran des flexiblen Ringes angebracht sein. Wenn ein piezoelektrisches Element verwendet wird, wird es unter Berücksichtigung von Betriebseigenschaften und Ähnlichem vorzugsweise an einem anderen Bereich der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs als der Reibungskopplungsfläche auf dem flexiblen Ring befestigt. Um die Menge der erzeugten Energie zu vergrößern, wird das energieerzeugende Element vorzugsweise am gesamten zylindrischen Bereich und nicht nur an einer Stelle des zylindrischen Bereiches angebracht.
Da eine Verdrahtung aus dem energieerzeugenden Element geführt wird, wird der flexible Ring, an dem das energieerzeugende Element angebracht ist, so gelagert, dass er nicht rotiert, und der steife Ring wird frei rotierbar gelagert, und vom steifen Ring wird eine Ausgangsrotation mit reduzierte Drehzahl abgenommen.
Die Einsatzart des Wellgetriebes ist häufig so, dass die Zeit, in der der Wellgenerator angetrieben wird, um mit konstanter, kontinuierlicher Drehzahl zu rotieren, kurz ist und eine stabile Energieerzeugung schwierig ist. Die Frequenz der Biegefluktuation in der Biegebewegung des flexiblen Ringes kann gering sein, und die Effizienz der Energieerzeugung des energieerzeugenden Elementes kann gering sein. Daher wird vorzugsweise eine Speichereinheit für elektrische Energie zur Speicherung elektrischer Energie, die von dem durch Vibration angetriebenen Generator erzeugt wird, bereitgestellt und elektrische Energie wird gespeichert, so das von der Speichereinheit für elektrische Energie stabile elektrische Energie ausgegeben werden kann.
Wirkung der Erfindung
Das Verformungswellgetriebe gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem durch Vibration angetriebenen Generator ausgestattet, der ein piezoelektrisches oder anderes energieerzeugendes Element hat, um durch Nutzen der Biegebewegung des zylindrischen Bereichs des flexiblen außen verzahnten Zahnrades elektrische Energie zu erzeugen. Dementsprechend kann mit einem sehr einfachen Aufbau preisgünstig ein Verformungswellgetriebe, das eine energieerzeugende Funktion hat, realisiert werden. Auf die gleiche Weise kann ein Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe, das eine energieerzeugende Funktion hat, mit einem sehr einfachen Aufbau preisgünstig realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1: Ein schematisches Diagramm und eine Frontansicht eines Verformungswellgetriebes vom Bechertyp, in dem die vorliegende Erfindung benutzt wird.
2: Schematische Diagramme, die den Zustand des Biegens des flexiblen außen verzahnten Zahnrades des Verformungswellgetriebes aus 1 zeigen, wobei (a) den Zustand in einem Längsschnitt des flexiblen außen verzahnten Zahnrades vor der Deformation zeigt; (b) den Zustand in einem Längsschnitt an einer Position zeigt, welche die Hauptachse des elliptisch verformten flexiblen außen verzahnten Zahnrades enthält; (c) den Zustand in einem Längsschnitt an einer Position zeigt, welche die Nebenachse des elliptisch verformten flexiblen außen verzahnten Zahnrades enthält; und (d) in übertriebener Weise den Zustand des Verbiegens des flexiblen außen verzahnten Zahnrades an der Position zeigt, an der das piezoelektrische Element befestigt ist.
3: Ein schematisches Diagramm, dass die Position veranschaulicht, an der das piezoelektrische Element an dem becherförmigen außen verzahnten Zahnrad angebracht ist.
4: Ein schematisches Diagramm, dass ein Verformungswellgetriebe vom Zylinderhuttyp zeigt, in dem die vorliegende Erfindung benutzt wird.
5: Ein schematisches Diagramm und eine Frontansicht, die ein Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe vom flachen Typ zeigen, in dem die vorliegende Erfindung benutzt wird.
Art die Erfindung auszuführen
1. Ausführungsbeispiel
1(a) ist ein schematisches Diagramm, das ein Verformungswellgetriebe vom Bechertyp gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, in dem die vorliegende Erfindung benutzt wird, und 1(b) ist eine schematische Frontansicht davon. Wie in diesen Zeichnungen gezeigt, hat ein Verformungswellgetriebe 1 ein ringförmiges steifes innen verzahntes Zahnrad 2, ein flexibles außen verzahntes Zahnrad 3, das innerhalb des Zahnrades 2 angeordnet ist, und einen Wellgenerator 4 mit einem elliptischen Umfang, der in das Zahnrad 3 eingepasst ist. Das steife innen verzahnte Zahnrad 2 und das flexible außen verzahnte Zahnrad 3 sind beides flache Zahnräder mit dem Modul m. Die Differenz der Anzahl der Zähne der beiden Zahnräder ist 2n (wobei n eine positive ganze Zahl ist), im vorliegenden Beispiel 2 (n = 1), und das steife innen verzahnte Zahnrad 2 hat die größere Anzahl. Das flexible außen verzahnte Zahnrad 3 wird durch den Wellgenerator 4 mit elliptischem Umfang elliptisch gebogen und seine Außenverzahnung greift in den Bereichen an beiden Enden der Hauptachse L1 der elliptischen Form in die Innenverzahnung 24 des steifen innen verzahnten Zahnrades 2 ein.
Wenn der Wellgenerator 4 rotiert, bewegt sich die Position des Eingriffs der beiden Zahnräder 2, 3 in Umfangsrichtung und es tritt eine relative Rotation zwischen den beiden Zahnrädern 2, 3 auf, die der Differenz in der Anzahl der Zähne entspricht. Im vorliegenden Beispiel ist der Wellgenerator 4 mit einem nicht gezeigten Motor verbunden und daran befestigt, das flexible außen verzahnte Zahnrad 3 ist an einem nicht gezeigten feststehenden Element befestigt und wird so gelagert, dass es nicht rotiert, und das steife, innen verzahnte Zahnrad ist an einem nicht gezeigten lastseitigen Element befestigt. Die Eingangsrotion des Wellgenerators 4, die eine hohe Drehzahl hat, wird vom steifen innen verzahnten Zahnrad 2 als Ausgangsrotation mit reduzierter Drehzahl entnommen und an ein nicht gezeigtes lastseitiges Element übertragen.
Das flexible außen verzahnte Zahnrad 3 ist becherförmig und hat einen flexiblen zylindrischen Bereich 31, eine scheibenförmige Membran 32, die sich an sein hinteres Ende 31b anschließt und sich in radialer Richtung nach Innen ausbreitet, eine ringförmige Nabe 33, die sich an den inneren Umfangsrand der Membran 32 anschließt, und eine Außenverzahnung 34, die auf einem Bereich der äußeren Umfangsfläche an der Öffnung 31a am vorderen Ende des zylindrischen Bereichs 31 ausgebildet ist. Ein Wellgenerator 4 mit elliptischem Umfang ist in dem Bereich, auf dem die Außenverzahnung 34 ausgebildet ist, in die Öffnung 31a am vorderen Ende des zylindrischen Bereichs 31 des flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3 eingepasst. Das Ausmaß der Verbiegung des zylindrischen Bereichs 31, der von dem Wellgenerator 4 elliptisch gebogen wird, in radialer Richtung nach außen und innen nimmt vom hinteren Ende 31b an der Membran zur Öffnung 31a am vorderen Ende graduell zu.
Auf dem flexiblen außen verzahnten Zahnrad 3 ist ein durch Vibration angetriebener Generator 5 angeordnet, und eine Energiespeichereinheit 6 zur Speicherung elektrische Energie, die von dem durch Vibration angetriebenen Generator 5 erzeugt worden ist, ist mit dem durch Vibration angetriebenen Generator 5 verbunden. Von der Energiespeichereinheit 6 kann elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden. Der durch Vibration angetriebene Generator 5 hat ein piezoelektrisches Element 7, das bewegt wird, um aus der Biegebewegung des flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3, das zusammen mit der Rotation des Wellgenerators 4 wiederholt gebogen wird, elektrische Energie zu erzeugen. Das piezoelektrische Element 7 ist auf dem zylindrischen Bereich des flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3 relativ zur Außenverzahnung 34 in einem Bereich der äußeren Umfangsfläche in der Nähe der Membran 32 befestigt, so dass es sich integral mit dem Bereich der äußeren Umfangsfläche verbiegt. Zum Beispiel sind auf dem Bereich der Außenumfangsfläche in Umfangsrichtung mehrere piezoelektrische Elemente 7 befestigt.
2 ist eine erläuternde Ansicht, die den Zustand des Biegens des flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3 des Verformungswellgetriebes 1 zeigt. 2(a) zeigt den Zustand des flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3 in einem Längsschnitt vor der Deformation, 2(b) zeigt den Zustand in einem Längsschnitt an einer Position, welche die Hauptachse des elliptisch verformten flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3 enthält, 2(c) zeigt den Zustand in einem Längsschnitt an einer Position, welche die Nebenachse des elliptisch verformten flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3 enthält, und 2(d) zeigt in übertriebener Weise den Zustand des Verbiegens des flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3 an der Position, an der das piezoelektrische Element befestigt ist. Die durchgezogenen Linien in den 2(a) bis 2(c) beziehen sich auf ein becherförmiges flexibles außen verzahntes Zahnrad 3 und die unterbrochenen Linien beziehen sich auf ein zylinderhutförmiges flexibles außen verzahntes Zahnrad, wie es in der noch zu beschreibenden 4 gezeigt ist.
An der Position des Querschnitts, welche die Hauptachse L1 der elliptischen Kurve im zylindrischen Bereich 31 enthält, nimmt das Ausmaß der Verbiegung nach außen im Wesentlichen proportional zum Abstand von hinteren Ende 31b zur Öffnung 31a am vorderen Ende graduell zu, wie in der 2(b) gezeigt. An der Position des Querschnitts, welche die Nebenachse L1 der elliptischen Kurve enthält, nimmt das Ausmaß der Verbiegung nach innen im Wesentlichen proportional zum Abstand von hinteren Ende 31b zur Öffnung 31a am vorderen Ende graduell zu, wie in der 2(c) gezeigt.
Dementsprechend ändert sich in Bezug auf die Außenverzahnung 34, die auf dem Bereich der äußeren Umfangsfläche an der Öffnung 31a am vorderen Ende des zylindrischen Bereich 31 ausgebildet ist, das Ausmaß der Verbiegung in ihrer Zahnbahnrichtung in jedem Bereich senkrecht zur Konungsachse.
Insbesondere nimmt das Ausmaß der Verbiegung im Querschnitt, der die Hauptachse L1 der elliptischen Kurve enthält, in der Zahnbahnrichtung der Außenverzahnung 34 vom hinteren Ende 34b an der Membran zum vorderen Ende 34a an der Öffnung 31a am vorderen Ende proportional zum Abstand vom hinteren Ende 31b zu.
Hierbei wird ein Kreis, der in Richtung der Dicke des Zahnwurzelrandes der Außenverzahnung 34, bevor diese in einem Schnitt senkrecht zur Konungsachse an jeder Position in Richtung der Zahnbahn der Außenverzahnung 34 elliptisch gebogen wird, durch das Zentrum verläuft, „Randneutralkreis” genannt; eine Kurve, die in Richtung der Dicke des Zahnwurzelrandes durch das Zentrum verläuft, nachdem dieser elliptisch gebogen worden ist, wird „elliptische Randneutrallinie” genannt; und das Ausmaß der Biegung in Richtung der Hauptachse relativ zum Randneutralkreis an der Position der Hauptachse der elliptischen Randneutrallinie ist 2 κmn, wobei κ ein Biegekoeffizient ist.
Insbesondere ist Z_F die Anzahl der Zähne der Außenverzahnung 34 des flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3, Z_C die Anzahl der Zähne der Innenverzahnung 24 des steifen innen verzahnten Zahnrades und R(= Z_F/(Z_C – Z_F) = Z_F/2n) ist das Verhältnis der Drehzahlreduktion des Verformungswellgetriebes 1 und das normale Ausmaß w_O der Biegung in Richtung der Hauptachse hat den Wert (mZ_F/R = 2 mn), wobei der Durchmesser mZ_F des Wälzkreises des flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3 durch das Verhältnis der Drehzahlreduktion R geteilt wird. Das Verformungswellgetriebe 1 ist im Allgemeinen so aufgebaut, dass es sich an der Position des Kugelmittelpunktes des Welllagers des Wellgenerators 4 in der Zahnbahnrichtung des flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3 um das normale Ausmaß der Biegung (= 2 mn) verbiegt. Der Biegekoeffizient κ ergibt sich durch Division des Ausmaßes der Biegung w in jedem Schnitt senkrecht zur Konungsachse in der Zahnbahnrichtung des flexiblen außen verzahnten Zahnrades 3 durch das normale Ausmaß der Biegung. Dementsprechend ist in der Außenverzahnung 34 der Biegekoeffizient an der Stelle, an der das normale Ausmaß der Biegung erhalten wird, κ = 1, der Biegekoeffizient an einer Position des Querschnitts mit einem geringeren Ausmaß der Biegung w ist κ < 1, und der Biegekoeffizient an einer Position des Querschnitts mit einem größeren Ausmaß der Biegung w ist κ > 1.
Wie in der 2(d) gezeigt, wird der Bereich der äußeren Umfangsfläche des flexiblen außenverzahnten Zahnrades 3, an dem das piezoelektrische Element 7 befestigt ist, zusammen mit der Rotation des Wellgenerators 4 wiederholt in radialer Richtung gebogen. Dementsprechend wird auch das piezoelektrische Element 7 zusammen mit der Biegebewegung des zylindrischen Bereichs 31 wiederholt in radialer Richtung gebogen und daher wird durch einen piezoelektrischen Effekt elektrische Energie erzeugt. Wenn zum Beispiel ein piezoelektrisches Element betrachtet wird, wird das Element wiederholt von einem Zustand maximaler Krümmung 7A in einen Zustand minimaler Krümmung 7B gebogen, und in Verbindung mit dieser Biegung wird elektrische Energie erzeugt. Der elektrische Strom, der von dem piezoelektrischen Element 7 erzeugt wird, wird zum Beispiel durch einen Inverter 8 in Gleichstrom umgewandelt und dann an die Energiespeichereinheit 6 geliefert und darin gespeichert (siehe 1).
Die gespeicherte elektrische Energie kann als ein Beitrag zur Antriebsenergie des Motors genutzt werden, um den Wellgenerator rotierend anzutreiben und kann als Notstromquelle benutzt werden. Die elektrische Energie kann auch als Energiequelle zum Betreiben verschiedener Arten von Sensoren verwendet werden, wenn Sensoren an dem Verformungswellgetriebe 1 angebracht sind. Das Verformungswellgetriebe 1 kann auch als manuelle Energieerzeugungsvorrichtung für Notfälle und Ähnliches benutzt werden, wenn der Wellgenerator so eingerichtet ist, dass er in der Lage ist, durch manuelle Betätigung rotierend angetrieben zu werden.
Die Positionen, an denen die piezoelektrischen Elemente 7 an dem flexiblen außenverzahnten Zahnrad 3 befestigt sind, können auch andere Positionen als die des vorliegenden Beispiels sein. Zum Beispiel können piezoelektrische Elemente 7 an einen Bereich 7(1) der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 31 der Membran 32 und an einem Bereich 7(2) der Fläche der Membran angebracht sein, wie in 3 gezeigt. Oder das vordere Ende des zylindrischen Bereichs 31 kann sich von der Außenverzahnung 34 nach vorne erstrecken und die kreisförmige äußere Umfangsfläche oder die kreisförmige innere Umfangsfläche dieses verlängerten Bereichs kann als ein Bereich 7(3) benutzt werden, an dem ein piezoelektrisches Element angebracht ist. Piezoelektrische Elemente 7 können darüber hinaus an der kreisförmigen inneren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 31 und der Fläche innerhalb der Membran 32 angebracht sein.
Zweites Ausführungsbeispiel
4 ist eine schematische Ansicht, die ein Verformungswellgetriebe vom Zylinderhuttyp gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, in dem die vorliegende Erfindung benutzt wird. Der grundlegende Aufbau des Verformungswellgetriebes 100 vom Zylinderhuttyp ist der gleiche wie der des Verformungswellgetriebes 1 vom Bechertyp und umfasst ein steifes innenverzahntes Zahnrad 102, ein flexibles außenverzahntes Zahnrad 103 und einen Wellgenerator 104. Das flexible außenverzahnte Zahnrad 103 hat eine Zylinderhutform und umfasst einen flexiblen zylindrischen Bereich 131, eine scheibenförmige Membran 132, die sich an das hintere Ende 131b davon anschließt und sich in radialer Richtung nach außen erstreckt, eine ringförmige Nabe 133, die sich an den äußeren Umfangsrand der Membran 132 anschließt, und eine Außenverzahnung 134, die an einer Öffnung 131a am vorderen Ende des zylindrischen Bereichs 133 auf einem Bereich der äußeren Umfangsfläche ausgebildet ist. Die Außenverzahnung 134 kann mit der Innenverzahnung 124 des steifen innenverzahnten Zahnrades 102 in Eingriff gebracht werden. Der Wellgenerator 104, der einen elliptischen Umfang hat, ist in den Bereich eingepasst, auf dem an der Öffnung 131a am vorderen Ende auf dem zylindrischen Bereich 131 des flexiblen außenverzahnten Zahnrades 103 die Außenverzahnung ausgebildet ist. Das Ausmaß der Biegung des zylindrischen Bereichs 131, der von dem Wellgenerator 104 elliptisch gebogen wird, in radialer Richtung nach außen oder innen nimmt vom hinteren Ende 134b an der Membran zum vorderen Ende 131a graduell zu.
Ein durch Vibration angetriebener Generator 105 ist am flexiblen außenverzahnten Zahnrad 103 angebracht, eine Energiespeichereinheit zum Speichern elektrischer Energie, die von dem durch Vibration angetriebenen Generator 105 erzeugt wird, ist mit dem durch Vibration angetriebenen Generator verbunden, und elektrische Energie kann von der Energiespeichereinheit 106 zur Verfügung gestellt werden.
Der durch Vibration angetriebene Generator 105 hat ein piezoelektrisches Element 107, das bewegt wird, um durch die Biegebewegung des flexiblen außenverzahnten Zahnrades 103, das zusammen mit der Rotation des Wellgenerators 104 wiederholt gebogen wird, Energie zu erzeugen. Das piezoelektrische Element 107 ist auf dem zylindrischen Bereich 131 des flexiblen außenverzahnten Zahnrades 103 relativ zur Außenverzahnung 134 auf einem Bereich der äußeren Umfangsfläche angebracht, der der Membran 132 benachbart ist, so dass es sich integral mit dem Bereich der äußeren Umfangsfläche verbiegt. Beispielsweise sind mehrere piezoelektrische Elemente 7 in Umfangsrichtung auf dem Bereich der äußeren Umfangsfläche befestigt. Der elektrische Strom, der von dem piezoelektrischen Element 107 erzeugt wird, wird durch einen Inverter 108 des durch Vibration angetriebenen Generators 105 in Gleichstrom umgewandelt und wird dann an die Energiespeichereinheit 106 geliefert und darin gespeichert.
Die Positionen, an denen die piezoelektrischen Elemente 107 an dem flexiblen außenverzahnten Zahnrad 103 befestigt sind, können zum Beispiel ein Bereich 107(1) der äußeren Umfangsfläche zwischen dem zylindrischen Bereich 133 und der Membran 132 und ein Bereich 107(2) der Oberfläche der Membran 132 sein, wie durch die gestrichelten Linien in 4 gezeigt. Oder das vordere Ende des zylindrischen Bereichs 131 kann von der Außenverzahnung 134 nach vorne verlängert werden und die kreisförmige äußere Umfangsfläche oder die kreisförmige innere Umfangsfläche dieses verlängerten Bereichs kann als ein Bereich 107(3) verwendet werden, an dem das piezoelektrische Element 107 angebracht ist. Piezoelektrische Elemente 107 können auch an der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 133 und der Fläche innerhalb der Membran 132 angebracht sein.
Drittes Ausführungsbeispiel
5(a) ist ein schematisches Diagramm eines Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebes vom flachen Typ gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, in dem die vorliegende Erfindung benutzt wird, und 5(b) ist eine schematische Frontansicht davon. Das Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe 200 hat einen ersten und einen zweiten steifen Ring 201, 202, einen flexiblen Ring 203, der koaxial innerhalb des ersten und des zweiten steifen Ringes 201, 202 angeordnet ist, und einen Wellgenerator 104 mit einem elliptischen Umriss, der in den flexiblen Ring 203 eingepasst ist. Die kreisförmigen inneren Umfangsflächen des ersten und des zweiten steifen Ringes 201, 202 werden jeweils als erste Reibungskopplungsflächen 224, 225 benutzt, und auch auf der äußeren Umfangsfläche des flexiblen Ringes 203 ist eine Reibungskopplungsfläche 234 ausgebildet. Der Wellgenerator 204 verbiegt den flexiblen Ring 203 elliptisch, wodurch die Reibungskopplungsfläche 234 des flexiblen Ringes 203 durch Reibung in Umfangsrichtung teilweise mit der ersten und der zweiten Reibungskopplungsfläche 224, 225 des ersten bzw. des zweiten steifen Ringes 201, 202 koppelt. Wenn der Wellgenerator 204 rotiert, bewegen sich diese Positionen der Kopplung durch Reibung in Umfangsrichtung.
Hierbei ist die Länge entlang des Umfangs der ersten Reibungskopplungsfläche 224 des ersten steifen Ringes 201 länger als die Länge entlang des Umfangs der Reibungskopplungsfläche 234 des flexiblen Ringes 203, daher tritt zwischen dem ersten steifen Ring 201 und dem flexiblen Ring 203 eine relative Rotation auf, die der Differenz der Länge der Flächen entlang des Umfangs entspricht. Im Gegensatz dazu ist die Länge entlang des Umfangs der zweiten Reibungskopplungsfläche 225 des zweiten steifen Ringes 202 die gleiche wie die Länge entlang des Umfangs der Reibungskopplungsfläche 234 des flexiblen Ringes 203, daher rotieren der zweite steife Ring 203 und der flexible Ring 203 immer als ein Körper, ohne dass zwischen den beiden eine relative Rotation auftritt.
Im vorliegenden Beispiel ist der zweite steife Ring 202 an einem nicht gezeigten feststehenden Element befestigt und wird so abgestützt, dass er nicht rotiert, und der erste steife Ring 201 ist mit einem nicht gezeigten lastseitigen Element verbunden. Dementsprechend wird, wenn der Wellgenerator 204 durch einen Motor oder Ähnliches mit hoher Drehzahl gedreht wird, von dem ersten steifen Ring 201 eine Ausgangsrotation mit reduzierter Drehzahl entnommen und an das lastseitige Element übertragen.
Hierbei ist auf dem flexiblen Ring 203 ein durch Vibration angetriebener Generator 205 angeordnet, eine Energiespeichereinheit 206 zum Speichern elektrischer Energie, die von dem durch Vibration angetriebenen Generator 205 erzeugt wird, ist mit dem durch Vibration angetriebenen Generator 205 verbunden, und elektrische Energie kann von der Energiespeichereinheit 206 zur Verfügung gestellt werden. Der durch Vibration angetriebene Generator 205 hat ein piezoelektrisches Element 7, das bewegt wird, um durch die Biegebewegung des flexiblen Ringes 203, der in Verbindung mit der Rotation des Wellgenerators 204 wiederholt gebogen wird, elektrische Energie zu erzeugen, und einen Inverter 208, um den erzeugten Strom in Gleichstrom umzuwandeln und den Gleichstrom an die Energiespeichereinheit 206 zu liefern.
Im vorliegenden Beispiel hat der flexible Ring 203 einen flexiblen zylindrischen Bereich 231, eine Reibungskopplungsfläche 234, die auf seiner äußeren Umfangsfläche ausgebildet ist, und einen zylindrischen Bereich 232 der sich vom Ende des zylindrischen Bereichs 231 auf Seiten des zweiten steifen Ringes 202 nach außen erstreckt (hervorsteht). An der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 232 sind mehrere piezoelektrische Elemente 207 befestigt. Auch an der Innenumfangsfläche des zylindrischen Bereichs 232 können piezoelektrische Elemente 207 befestigt werden.
Andere Ausführungsbeispiele
Die obigen Beispiele umfassen Beispiele, in denen die vorliegende Erfindung in Verformungswellgetrieben vom Bechertyp und vom Zylinderhuttyp benutzt wird, aber die vorliegende Erfindung kann genauso in Verformungswellgetrieben vom flachen Typ verwendet werden.
Die obigen Beispiele umfassen ein Beispiel, in dem die vorliegende Erfindung in einem Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe vom flachen Typ verwendet wird, aber die vorliegende Erfindung kann genauso in Reibungskopplungsvorrichtungen vom Bechertyp oder Zylinderhuttyp verwendet werden.

Claims

Verformungswellgetriebe (1), das ein ringförmiges steifes innen verzahntes Zahnrad (2); ein flexibles außen verzahntes Zahnrad (3), das koaxial innerhalb des steifen innen verzahnten Zahnrades (2) angeordnet und in der Lage ist, sich in seiner radialen Richtung zu verbiegen; und einen Wellgenerator (4) hat, der koaxial innerhalb des flexiblen außen verzahnten Zahnrades (3) angeordnet ist; wobei das flexible außen verzahnte Zahnrad (3) durch den Wellgenerator (4) in radialer Richtung gebogen und in Eingriff mit dem steifen innen verzahnten Zahnrad (2) gebracht wird, und wobei die Zahnräder (2, 3), wenn sich bei der Rotation des Wellgenerators (4) eine Position, an der das steife innen verzahnte Zahnrad (3) und das flexible außen verzahnte Zahnrad (3) ineinander greifen, entlang ihres Umfangs bewegt, in Übereinstimmung mit einer Differenz in der Anzahl der Zähne zwischen den Zahnrädern (2, 3) gegeneinander rotieren, und wobei das Verformungswellgetriebe (1) dadurch gekennzeichnet ist, dass das flexible außen verzahnten Zahnrad (3) mit einem durch Vibration angetriebenen Generator (5) ausgestattet ist; und der durch Vibration angetriebene Generator (5) aus einer Biegebewegung des flexiblen außen verzahnten Zahnrades (3), das wiederholt gebogen wird, wenn der Wellgenerator (4) rotiert, elektrische Energie erzeugt.
Verformungswellgetriebe (1) nach Anspruch 1, wobei der durch Vibration angetriebene Generator (5) mit einem piezoelektrischen Element (7) ausgestattet ist, das bewegt wird und das aufgrund der Biegebewegung des flexiblen außen verzahnten Zahnrades (3) elektrische Energie erzeugt, wobei das flexible außen verzahnte Zahnrad (3) wiederholt gebogen wird, wenn der Wellgenerator (4) rotiert.
Verformungswellgetriebe (1) nach Anspruch 2, wobei das flexible außen verzahnte Zahnrad (3) einen flexiblen zylindrischen Bereich (31), eine scheibenförmige Membran (32), die sich vom zylindrischen Bereich (31) in radialer Richtung erstreckt, und eine Außenverzahnung (34) hat, die auf einem Bereich der äußeren Umfangsfläche an einer Öffnung (31a) am vorderen Ende des zylindrischen Bereichs (31) ausgebildet ist, wobei ein Bereich an der Öffnung (31a) am vorderen Ende des zylindrischen Bereichs (31) durch den Wellgenerator (4) in eine nicht-kreisförmige Form gebogen wird, und das piezoelektrische Element (7) an dem zylindrischen Bereich (31) und/oder der Membran (32) des flexiblen außen verzahnten Zahnrades (3) befestigt ist.
Verformungswellgetriebe (1) nach Anspruch 3, wobei das piezoelektrische Element (7) an einer äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs (31) des flexiblen außen verzahnten Zahnrades (3) befestigt ist.
Verformungswellgetriebe (1) nach Anspruch 4, wobei das flexible außen verzahnte Zahnrad (3) ein feststehendes Element ist, das so abgestützt ist, dass es nicht rotiert; und das steife innen verzahnte Zahnrad (2) ein Rotationsausgangselement ist, das in einem rotierbaren Zustand abgestützt ist.
Verformungswellgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das zusätzlich eine Energiespeichereinheit (6) aufweist, um elektrische Energie, die von dem durch Vibration angetriebenen Generator (7) erzeugt wird, zu speichern.
Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe (200) mit einem steifen Ring, (201) der eine kreisförmige innere Umfangsfläche hat, die als erste Reibungskopplungsfläche (224) benutzt wird; einem flexiblen Ring (203), der koaxial innerhalb des steifen Ringes angeordnet ist und eine kreisförmige äußere Umfangsfläche hat, die als zweite Reibungskopplungsfläche (234) benutzt wird; und einem Wellgenerator (204), der koaxial auf der Innenseite des flexiblen Ringes (203) angeordnet ist, wobei der flexible Ring (203) durch den Wellgenerator (204) in radialer Richtung gebogen wird und durch Reibung teilweise mit dem steifen Ring (201) koppelt, und die Ringe (202, 203), wenn sich die Position der Kopplung durch Reibung bei einer Rotation des Wellgenerators (204) in Umfangsrichtung bewegt, in Übereinstimmung mit der Differenz der Längen in Umfangsrichtung der Reibungskopplungsflächen (224, 234) der beiden Ringe (201, 203) relativ zueinander rotieren; wobei das Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe (200) dadurch gekennzeichnet ist, dass: der flexible Ring (203) mit einem durch Vibration angetriebenen Generator (205) ausgestattet ist; und der durch Vibration angetriebene Generator (205) aus einer Biegebewegung des flexiblen Ringes (203), der wiederholt gebogen wird, wenn der Wellgenerator (204) rotiert, elektrische Energie erzeugt.
Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe (200) nach Anspruch 7, wobei der durch Vibration angetriebene Generator (205) mit einem piezoelektrischen Element (207) ausgestattet ist, das bewegt wird und das aufgrund der Biegebewegung des flexiblen Ringes (203) elektrische Energie erzeugt, wobei der flexible Ring (203) wiederholt gebogen wird, wenn der Wellgenerator (204) rotiert.
Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe (200) nach Anspruch 8, wobei der flexible Ring (203) einen flexiblen zylindrischen Bereich (231) und eine scheibenförmige Membran hat, die sich in radialer Richtung vom zylindrischen Bereich (231) aus erstreckt, wobei auf einem Bereich einer äußerem Umgangsfläche an einer Öffnung am vorderen Ende des zylindrischen Bereichs eine zweite Reibungskopplungsfläche (234) ausgebildet ist, und ein Bereich an der Öffnung am vorderen Ende des zylindrischen Bereichs (231) durch den Wellgenerator (204) in eine nicht-kreisförmige Form gebogen wird, und das piezoelektrische Element (207) an dem zylindrischen Bereich (231) und/oder der Membran des flexiblen außen verzahnten Zahnrades (203) befestigt ist.
Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe (200) nach Anspruch 9, wobei das piezoelektrische Element (207) an einer äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs (231) des flexiblen Ringes (203) befestigt ist.
Reibungskopplungs-Verformungswellgetriebe (200) nach Anspruch 10, wobei der flexible Ring (203) ein feststehendes Element ist, das so gelagert ist, dass es nicht rotiert; und der steife Ring (201) ein Rotationsausgangselement ist, das in einem rotierbaren Zustand gelagert ist.
Verformungswellgetriebe nach einem der Ansprüche 7 bis 11, das zusätzlich eine Energiespeichereinheit (206) aufweist, um elektrische Energie, die von dem durch Vibration angetriebenen Generator (205) erzeugt wird, zu speichern.