JP2000055146A - ハーモニックドライブ式変速機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ハーモニックドライブ式変速機に関し、速比を
無段階に変更することを目的とする。 【解決手段】閉曲線断面形状を有する内周壁を有して軸
６回りに回転可能な第１回転部１と、いずれの方向も楕
円の長軸となるように弾性変形可能で、長軸対応部にお
いて前記第１回転部１の内周壁を押し付け、互いに周方
向の拘束をし合う第２回転部２と、第２回転部２に対し
て周方向に対しては自由に回転し、径方向に対して押し
付ける方向の拘束を行って第２回転部２を押し付け方向
を長軸とする楕円形状に変形させる第３回転部３とを有
し、前記第１回転部１の内周壁の周囲長と第２回転部２
の外周壁の外周長との差を可変にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はハーモニックドライ
ブ式変速機に関するものである。回転出力を持つアクチ
ュエータは近年の種々の要求に応じて最高速度や最高ト
ルクを増大させることが要求されている。また、消費エ
ネルギーを最小化するためには、アクチュエータの使用
効率を高めることが重要であり、アクチュエータの回転
速度と出力回転速度の比を調整することが要求されてい
る。

【０００２】

【従来の技術】ハーモニックドライブ式変速機の従来例
を図１４に示す。ハーモニックドライブは楕円柱形状の
コア部７を備えたウエーブジェネレータ８を有し、該ウ
エーブジェネレータ８のコア部７にはボールべリング１
０が外嵌される。ボール９を介して内輪１０ａに対して
相対移動自在なボール９ベアリングの外輪１０ｂは弾性
変形可能であり、外輪１０ｂの回転を禁止した状態でコ
ア部７を回転させるとコア部７の外周形状に追随して弾
性変形する。ボールベアリング１０の外輪１０ｂには外
周壁面に所定ピッチで歯を刻んだ薄肉筒状のフレクスプ
ライン１１が外嵌され、さらに、フレクスプライン１１
はサーキュラスプライン１２の内周壁面に内接するよう
に配置される。フレクスプライン１１は外輪１０ｂの変
形に追随して弾性変形可能であり、外周壁面の歯はサー
キュラスプライン１２の内周壁面に刻んだ歯に長軸部近
傍でのみ噛み合う。

【０００３】フレクスプライン１１の歯数をサーキュラ
スプライン１２の歯数より少なくしておいてサーキュラ
スプライン１２を固定し、ウエーブジェネレータ８のコ
ア部７を図１４に示すように時計方向に回転させると、
サーキュラスプライン１２は歯数差分だけ逆方向、すな
わち、反時計方向に回転し、この回転を出力として取り
出すことができる。なお、図１４においてＰ１、Ｐ２、
Ｐ３はサーキュラスプライン１２、フレクスプライン１
１、およびウエーブジェネレータ８上の定点を示す。

【０００４】かかる方式の変速機においては、速比は歯
数差と、入出力軸６、および固定部の選択方法により与
えることが可能であり、例えば、上述した例において
は、フレクスプライン１１の歯数をＺｆ、サーキュラス
プライン１２の歯数をＺｃとすると、減速比ｉは、ｉ＝
（Ｚｆ−Ｚｃ）／Ｚｆで与えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
例には以下の欠点がある。すなわち、上記機構を減速装
置、あるいは入出力関係を逆転させた増速装置、さらに
は、これらを組み合わせて差動装置として使用する場合
の速比は歯数差により予め決定されるために、融通性に
劣る。

【０００６】本発明は、以上の欠点を解消すべくなされ
たもので、速比を無段階に変更可能なハーモニックドラ
イブ式変速機の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば上記目的
は、閉曲線断面形状を有する内周壁を有して軸６回りに
回転可能な第１回転部１と、いずれの方向も楕円の長軸
となるように弾性変形可能で、長軸対応部において前記
第１回転部１の内周壁を押し付け、互いに周方向の拘束
をし合う第２回転部２と、第２回転部２に対して周方向
に対しては自由に回転し、径方向に対して押し付ける方
向の拘束を行って第２回転部２を押し付け方向を長軸と
する楕円形状に変形させる第３回転部３とを有し、前記
第１回転部１の内周壁の周囲長と第２回転部２の外周壁
の外周長との差を可変にしたハーモニックドライブ式変
速機を提供することにより達成される。

【０００８】第３回転部３は第２回転部２に対し、周方
向には自由に回転し、径方向に対しては押し付ける方向
の拘束を行う。第２回転部２は第３回転部３の押し付け
方向に追随して弾性変形可能であり、その内周において
は第３回転部３と半径方向に対して押し付けあい、外側
において第１回転部１と周方向の拘束をし合う。第１回
転部１は第２回転部２との接触部分で押し付けられるこ
とにより周方向に対して相対位置を拘束する。

【０００９】第１回転部１、第２回転部２、第３回転部
３のそれぞれは、機構中での構成方法により、減速機、
あるいは増速機における入力部、出力部、固定部にする
ことができ、例えば、第１回転部１の回転を拘束して第
３回転部３を回転させると、第２回転部２は第３回転部
３の１回転毎に、第１回転部１との周囲長の差に相当す
るだけ第１回転部１に対して相対回転する。この結果、
本使用状態において、第１回転部１への回転入力を｜Ｌ
１−Ｌ２｜／Ｌ２に減速して第２回転部２から取り出す
ことができる（ただし、Ｌ１、Ｌ２は第１回転部１と第
２回転部２の周囲長を示す。）。

【００１０】本発明において、Ｌ１−Ｌ２、すなわち、
第１回転部１と第２回転部２の外周長の差が可変であ
り、無段階に速比を変更することができる。外周長の差
を可変にするためには、例えば請求項２に係る手段を採
用できる。すなわち、請求項２に係る発明は、前記第３
回転部３は、軸６方向に外周長を一定に保持して離心率
が連続的に変化する楕円錐形状に形成されるとともに、
第２回転部２は第３回転部３に対して相対回転自在に外
嵌され、かつ、第１回転部１の内壁は前記第２回転部２
の長軸を直径寸法とする円錐形状に形成され、第２回転
部２は軸６方向に相対移動操作可能である請求項１記載
のハーモニックドライブ式変速機である。

【００１１】本発明において第２回転部２は第３回転部
３を巻回するように外嵌され、第３回転部３の回転に伴
って第３回転部と相似形を維持するように弾性変形す
る。第３回転部３は楕円錐形状に形成され、第２回転部
２を長軸方向が変わるように弾性変形させることによ
り、第２回転部２の長軸対応部を第１回転部１の内壁に
接触させる。周囲長が一定の第２回転部２を軸６方向に
移動させると対応する第１回転部１の直径寸法は変化す
るために、第２回転部２と第１回転部１との周囲長差を
変更できる。

【００１２】さらに、請求項３に係る発明において、外
周長の差を可変にするための他の手段が提案される。す
なわち、請求項３に係る発明は、前記第３回転部３は第
２回転部２の内周壁を転動する一対の回転体４を間隔可
変に保持して形成されるとともに、第１回転部１の内壁
は前記第２回転部２の回転体４による支持部対応部間を
直径寸法とする円錐形状に形成され、第１回転部１と第
２回転部２は軸６方向に相対移動操作可能である請求項
１記載のハーモニックドライブ式変速機である。

【００１３】第３回転部３は第２回転部２の内周壁を転
動する一対の回転体４を有し、所定長を有する第２回転
部２は内方から２点で支持されることによりほぼ楕円形
状に変形する。第１回転部１は第２回転体４の回転体４
による支持部に対応する部位間の寸法、すなわち、長軸
寸法に一致しており、回転体４間を変更しながら第１回
転部１、および第２回転部２を軸６方向に移動させる
と、対応する第１回転部１の直径寸法は変化するため
に、第２回転部２と第１回転部１との周囲長差を変更で
きる。

【００１４】請求項４に係る発明は、前記第２回転部２
を第１回転部１に圧接させる与圧付与機構５を備える請
求項１、２または３記載のハーモニックドライブ式変速
機である。本発明において、与圧付与機構５は第２回転
部２の外周を第１回転部１の内周に押し付けることによ
り、スリップの発生を防止するために、所望の速比を得
ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１にハーモニックドライブ式変
速機の主要部を示す。図中８は第３回転部３を構成する
軸６回りに回転可能なウエーブジェネレータであり、軸
６に直交する面での断面形状が楕円形で、かつ、切断面
が軸６の長手方向に沿って前端面（図における左端）か
ら後方に移動するに従って外周長を一定に保持しながら
長短軸比が漸次小さくなって真円に近くなる楕円錐形状
に形成される（図２参照）。

【００１６】上記ウエーブジェネレータ８の外周には複
数のベアリングボール９を介してフレクスプライン１１
が外嵌され、第２回転部２を構成する。フレクスプライ
ン１１は可撓性を有する材料により有底筒形状に形成さ
れ、前端に内方に向けて突設されるボール保持片１１
ａ、１１ａ間にボール９、９・・を保持して該ボール９
の軸６長手方向への移動を禁止する。

【００１７】第１回転部１を構成するサーキュラスプラ
イン１２は後端面から前方に行くに従って漸次直径が小
さくなる截頭円錐形状の中空部を有し、第２回転部２は
ボール９が第３回転部３の外周壁面に沿い、フレクスプ
ライン１１の長軸が第１回転部１の内周壁を押し付ける
状態で第１回転部１と第３回転部３の間に介装される。

【００１８】第２回転部２は軸６方向に移動可能であ
り、図２（ｂ）に示すように、第２回転部２を第１回転
部１、および第３回転部３の後端部近傍に位置させた状
態では、図２（ａ）に示すように、第２回転部２の長軸
長、および第２回転部２の長軸に接触する第１回転部１
の内周径は最大となり、第１回転部１の内周長と第２回
転部２の外周長との差が最大となる。反対に、図２
（ｆ）に示すように、第２回転部２を第１回転部１、お
よび第３回転部３の前端部近傍に位置させると、第２回
転部２の長軸長、および第２回転部２の長軸に接触する
第１回転部１の内周径は最小となり（図２（ｅ）参
照）、第１回転部１の内周長と第２回転部２の外周長と
の差が最小となり、図２（ｃ）、（ｄ）に示すその中間
位置では周長差は最大値と最小値の中間値をとる。

【００１９】図３に第２回転部２を第１回転部１、およ
び第３回転部３の後端部近傍に位置させた状態で第１回
転部１の回転を禁止し、第３回転部３を時計回りに回転
させた場合の第２回転部２の動作を示す。なお、理解を
容易にするために、図３（ａ）に示す回転開始時におけ
る第１回転部１、第２回転部２、および第３回転部３の
対応位置をＰ１、Ｐ２、Ｐ３点で示す。第３回転部３は
第２回転部２に対して相対回転しながら第２回転部２を
変形させ、該第２回転部２の長軸位置を第３回転部３の
長軸位置に合致させる。長軸対応部において第１回転部
１の内周壁に接触可能な第２回転部２は第３回転部３に
より長軸対応部の位置を移動させられることにより、第
１回転部１の内周壁をなぞるようにして軸６回りに回転
する。第１回転部１の内周は真円であり、第２回転部２
の外周は楕円であるために、第１回転部１の内周の周囲
長は第２回転部２の外周長に比して長く、第３回転部３
の時計回りの回転によって、第１回転部１により回転を
拘束された第２回転部２は図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）
の順に反時計回りに回転し、第３回転部３が１回転した
図３（ｅ）の状態においては経路長差に相当するだけ第
２回転部２は第１回転部１、および第３回転部３に対し
て角度θだけ相対回転する。

【００２０】一方、図２（ｅ）、（ｆ）に示すように、
第２回転部２を第１回転部１、および第３回転部３の前
端部近傍に位置させた状態においては、第２回転部２は
真円に近く、経路長差は小さいために図４に示すよう
に、第３回転部３の１回転に対する第２回転部２の相対
回転角度θ’は小さくなる。この状態が減速比最大の状
態で、第２回転部２後端方に適宜移動させることによ
り、上述した減速比最小の状態まで減速比を連続的に変
化させることができる。

【００２１】図５にハーモニックドライブ式変速機の全
体構成を示す。変速機は出力部となるフレクスプライン
１１のガイド部１１ｂが外嵌されるハウジング１３を有
する。フレクスプライン１１のガイド部１１ｂとハウジ
ング１３との摺接境界にはボールベアリング１４が介装
されて相対回転を許容するとともに、フレクスプライン
１１の曲げ剛性を高める。

【００２２】入力部となるウエーブジェネレータ８は上
述した外周形状を有して有底筒状に形成され、底部壁面
に入力動力であるモータ１５が連結される。モータ１５
のロータ１５ａとウエーブジェネレータ８との間にはリ
ニアスライダ１６が介装され、ロータ１５ａの回転力を
ウエーブジェネレータ８に伝達し、かつ、ロータ１５ａ
とウエーブジェネレータ８との間の軸６方向への相対移
動が許容される。なお、図５において１５ｂはモータ１
５のステータを、１５ｃはベアリングを示す。

【００２３】ウエーブジェネレータ８を包囲するように
配置されるサーキュラスプライン１２はハウジング１３
に連結されて回転運動が禁止され、ハウジング１３との
間に介装されるリニアスライダ１７により軸６方向への
移動が許容される。サーキュラスプライン１２はリニア
アクチュエータ１８により軸６方向に駆動可能であり、
サーキュラスプライン１２の駆動力は深溝玉軸受、ある
いはアンギュラ組み合わせ玉軸受等の軸受１９を介して
ウエーブジェネレータ８に伝達され、両者は同期して軸
６方向に移動する。さらに、上記軸受１９は与圧付与機
構５としても機能する。すなわち、軸受１９はウエーブ
ジェネレータ８が矢印Ａ方向に、サーキュラスプライン
１２が矢印Ｂ方向にずれて、軸６に直交する面における
間隙が狭くなる方向の内力が発生するように介装されて
おり、該間隙に挿入されるベアリング９、およびフレク
スプライン１１に径方向への与圧を付加する。

【００２４】図５における第１回転部１、第２回転部
２、および第３回転部３の位置関係は図２（ａ）、
（ｂ）および図３に対応しており、この状態で第３回転
部３の回転速度に対する第２回転部２の減速比は最小と
なる。この状態からリニアアクチュエータ１８を駆動す
ると、図６に示すように、サーキュラスプライン１２、
およびウエーブジェネレータ８は後方に移動し、フレク
スプライン１１はボール９、およびボール保持片１１ａ
がサーキュラスプライン１２とウエーブジェネレータ８
に沿うように弾性変形する。この図６は図２（ｅ）、
（ｆ）、および図４に示す減速比最大時の位置関係を示
すもので、リニアアクチュエータ１８の駆動距離を適宜
選択することにより、最小と最大との中間の減速比を選
択できる。

【００２５】図７に本発明の第２の実施の形態の主要部
を示す。なお、以下の説明において、上述した実施の形
態と実質的に同一の構成要素は図中に同一符号を付して
説明を省略する。この実施の形態において、第１回転部
１を構成するサーキュラスプライン１２は上述した実施
の形態と同様に後方に行くに従って直径が小さくなる截
頭円錐形状の中空部を有し、第２回転部２を構成するフ
レクスプライン１１はどの方向も楕円の長軸となれるよ
うに弾性変形可能な筒部を有する。このフレクスプライ
ン１１は第１回転部１の最小径部における周囲長よりも
短い周囲長に形成される。

【００２６】第３回転部３は図８に示すように、一端に
ローラ等の回転体４を回転自在に枢支したローラ支持体
２０をガイド体２１の上下孔部２１ａ、２１ｂに進退自
在に嵌合して形成される。ローラ支持体２０と上下孔部
２１ａ、２１ｂとの間には圧縮スプリング２２が介装さ
れ、ローラ支持体２０を飛び出し方向に付勢する。この
第３回転部３をフレクスプライン１１の筒部内に挿入す
ると、圧縮スプリング２２により外方に付勢される回転
体４がフレクスプライン１１を押し付け、該フレクスプ
ライン１１は押し付け対応部位を長軸とする楕円に変形
し、長軸対応部においてサーキュラスプライン１２の内
周を押し付ける。

【００２７】例えばサーキュラスプライン１２を固定し
て第３回転部３を回転させると、フレクスプライン１１
は長軸位置を移動させるようにして変形し、該長軸対応
位置においてサーキュラスプライン１２を押し付けて周
方向に拘束し合って反時計方向に少しずつ回転する。

【００２８】第２回転部２が図９（ａ）、（ｂ）に示す
ようにサーキュラスプライン１２の後端にある場合に
は、第３回転部３の回転により第２回転部２は図１０
（ａ）〜（ｄ）を経て図１０（ｅ）の状態になり、第３
回転部３の回転方向と逆方向、すなわち、この例では反
時計方向にθだけ回転する。同様に第２回転部２が図９
（ｅ）、（ｆ）に示すようにサーキュラスプライン１２
の前端にある場合には、第３回転部３の回転により第２
回転部２は図１１（ａ）〜（ｄ）を経て図１１（ｅ）の
状態になり、第３回転部３の回転方向と逆方向、すなわ
ち、この例では反時計方向にθ’だけ回転する。図１０
の状態にある場合は図１１に示す状態に比してフレクス
プライン１１の外周長とサーキュラスプライン１２の周
囲長との差が大きなために、第３回転部３の回転角θは
図１１に示す状態のサーキュラスプライン１２の回転角
θ’より大きくなり、減速比は小さくなる。

【００２９】図１２に上記主要部を組み込んだ全体構成
図を示す。この実施の形態においてモータ１５のロータ
１５ａは直接ガイド体２１に連結され、第３回転部３は
フレクスプライン１１の定断面位置内で回転する。図１
２は図９（ａ）、（ｂ）、および図１０に示す減速比最
小状態に対応しており、この状態から図１３に示すよう
に、リニアアクチュエータ１８によりサーキュラスプラ
イン１２をリニアスライダ１６に沿って軸６方向に移動
させると、回転体４はフレクスプライン１１を介してサ
ーキュラスプライン１２の内周壁から反力を受け、ロー
ラ支持体２０は圧縮スプリング２２の反力に抗して沈み
込んで回転体４間の間隔が狭くなる。この状態でフレク
スプライン１１は回転体４により内方から押し付けら
れ、回転体４への接触部位を長軸とする楕円に変形して
おり、圧縮スプリング２２はフレクスプライン１１内方
から径方向にフレクスプライン１１を押し付けてサーキ
ュラスプライン１２に圧接させる与圧付与機構５として
機能する。

【００３０】したがってこの実施の形態において、リニ
アアクチュエータ１８を動作させることにより、図１２
に示す最小減速状態から、図１３に示す最大減速状態の
間の任意の減速比を選択することができる。

【００３１】なお、上記第１、第２の実施の形態におい
ては、第１回転部１を固定部に、第２回転部２を出力部
に、第３回転部３を入力部にした場合を示したが、第１
回転部１を出力部、あるいは入力部にし、第２回転部２
を固定部、あるいは入力部にすることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、減速、あるいは増速比を無段階に変更するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を示す図で、（ａ）は（ｂ）の１Ａ−１
Ａ線断面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。

【図２】第２回転部の軸方向への移動状態を示す図で、
（ａ）はボール接触面に沿って切断した断面図、（ｂ）
はその側面図、（ｃ）は減速比が中間状態におけるボー
ル接触面に沿って切断した断面図、（ｄ）はその側面
図、（ｅ）は減速比が大の状態におけるボール接触面に
沿って切断した断面図、（ｆ）はその側面図である。

【図３】減速比小の時の第２回転部の動作を示す図であ
る。

【図４】減速比大の時の第２回転部の動作を示す図であ
る。

【図５】図１の全体構成図である。

【図６】リニアアクチュエータを駆動した状態を示す図
である。

【図７】本発明の第２の実施の形態を示す図で、（ａ）
は（ｂ）の７Ａ−７Ａ線断面図、（ｂ）は（ａ）の側面
図である。

【図８】第３回転部を示す図である。

【図９】第２回転部の軸方向への移動状態を示す図で、
（ａ）はボール接触面に沿って切断した断面図、（ｂ）
はその側面図、（ｃ）は減速比が中間状態におけるボー
ル接触面に沿って切断した断面図、（ｄ）はその側面
図、（ｅ）は減速比が大の状態におけるボール接触面に
沿って切断した断面図、（ｆ）はその側面図である。

【図１０】減速比小の時の第２回転部の動作を示す図で
ある。

【図１１】減速比大の時の第２回転部の動作を示す図で
ある。

【図１２】図７の全体構成図である。

【図１３】リニアアクチュエータを駆動した状態を示す
図である。

【図１４】従来例を示す図である。

【符号の説明】

１ 第１回転部 ２ 第２回転部 ３ 第３回転部 ４ 回転体 ５ 与圧付与機構 ６ 軸

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】閉曲線断面形状を有する内周壁を有して軸
   回りに回転可能な第１回転部と、 いずれの方向も楕円の長軸となるように弾性変形可能
   で、長軸対応部において前記第１回転部の内周壁を押し
   付け、互いに周方向の拘束をし合う第２回転部と、 第２回転部に対して周方向に対しては自由に回転し、径
   方向に対して押し付ける方向の拘束を行って第２回転部
   を押し付け方向を長軸とする楕円形状に変形させる第３
   回転部とを有し、 前記第１回転部の内周壁の周囲長と第２回転部の外周壁
   の外周長との差を可変にしたハーモニックドライブ式変
   速機。
2. 【請求項２】前記第３回転部は、軸方向に外周長を一定
   に保持して離心率が連続的に変化する楕円錐形状に形成
   されるとともに、 第２回転部は第３回転部に対して相対回転自在に外嵌さ
   れ、 かつ、第１回転部の内壁は前記第２回転部の長軸を直径
   寸法とする円錐形状に形成され、 第２回転部は軸方向に相対移動操作可能である請求項１
   記載のハーモニックドライブ式変速機。
3. 【請求項３】前記第３回転部は第２回転部の内周壁を転
   動する一対の回転体を間隔可変に保持して形成されると
   ともに、 第１回転部の内壁は前記第２回転部の回転体による支持
   部対応部間を直径寸法とする円錐形状に形成され、 第１回転部と第２回転部は軸方向に相対移動操作可能で
   ある請求項１記載のハーモニックドライブ式変速機。
4. 【請求項４】前記第２回転部を第１回転部に圧接させる
   与圧付与機構を備える請求項１、２または３記載のハー
   モニックドライブ式変速機。