JP2006349091A - ハーモニックドライブ装置、伝達比可変装置、及び車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静粛性の高い調和駆動型減速装置、伝達比可変装置、および車両用操舵装置を提供すること。
【解決手段】 波動発生器２７とフレキシブルギヤ２３との間に弾性層Ｘを設ける。そして、波動発生器２７が、フレキシブルギヤ２３を径方向外側に押圧する力、即ち、フレキシブルギヤ２３をステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２に噛合させ、及びその噛合部を回転させる力を分散させることにより、両者の間の噛み合い率を向上させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ハーモニックドライブ装置、伝達比可変装置、及び車両用操舵装置に関するものである。

従来、サーキュラスプラインと、その内側においてサーキュラスプラインと噛み合うように同軸配置される筒状のフレクスプラインと、フレクスプラインを非円形に撓ませてその外歯をサーキュラスプラインの内歯に部分的に噛み合わせるとともに、その非円形形状を回転させる波動発生器とを備えたハーモニックドライブ装置がある（特許文献１参照）。

ハーモニックドライブ装置は、上記波動発生器を回転させることで、フレクスプラインの固定端側（２つのフレクスプラインを有するものはステータ側）に対してサーキュラスプラインを高い減速比で相対回転させることができる。そして、その外形が極めて小さいという特徴を有していることから、近年、精密機械や車両用操舵装置の伝達比可変装置等、多種多様な用途に用いられるようになっている。
特許第２７１８５４０号明細書

しかしながら、こうした用途の拡大に伴い、近年、ハーモニックドライブ装置には、その基本性能はもとより、より高い静粛性並びに滑らかな回転が求められるようになっている。そして、特に、伝達比可変装置においては、その作動音及び振動がステアリングシャフトやハウジング等の操舵系を介して車室に伝播しその放射ノイズが搭乗者に不快感を与えるおそれがあることから、その作動音の低減及び振動の抑制が重要な課題となっている。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、静粛性の高いハーモニックドライブ装置、伝達比可変装置、及び車両用操舵装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、サーキュラスプラインと、前記サーキュラスプラインの内側において該サーキュラスプラインと噛み合うように同軸配置される筒状のフレクスプラインと、前記フレクスプラインの内側に配置され前記フレクスプラインを非円形に撓ませて該フレクスプラインの外歯を前記サーキュラスプラインの内歯に部分的に噛み合わせるとともに前記撓められたフレクスプラインの非円形の形状を回転させる波動発生器とを備えたハーモニックドライブ装置であって、前記フレクスプラインと前記波動発生器との間に弾性層を設けたこと、を要旨とする。

請求項２に記載の発明は、前記弾性層は、ゴム製のリング部材により形成されること、を要旨とする。
上記各構成によれば、波動発生器がフレクスプラインをサーキュラスプラインに噛合させ及びその噛合部を回転させる力を分散させる力、即ち波動発生器がフレクスプラインを径方向外側に押圧する力は、弾性層により分散され、比較的広い範囲に亘り略均等にフレクスプラインへと伝達される。従って、その噛み合い率が大きくなるとともに、その歯面荷重もまた各噛み合い箇所に分散されることとなり、これにより、スムーズな噛み合いを実現し、滑らかな回転を確保するとともに、噛み合い箇所の隙間を低減してそのガタに起因する振動の発生を抑制することができる。そして、発生した振動並びに接触音は、同弾性層にて吸収することができる。その結果、作動音及び振動を低減して、その静粛性の向上を図ることができるようになる。

更に、噛み合い率を向上させてその歯面荷重を分散させることで、フレクスプラインとサーキュラスプラインとの間の径方向隙間を小さくした場合であっても、その起動トルクが高くならない。従って、両者の間の噛み合い箇所の隙間（ガタ）を詰めるべく、その径方向隙間を予め小さく設定することが可能となり、これにより一層の滑らかな回転を実現することができるようになる。そして、請求項２の構成を採用することで、こうした弾性層は容易に形成することができる。

請求項３に記載の発明は、ステアリングホイールの操舵角に基づく操舵輪の第１の舵角にモータ駆動に基づく前記操舵輪の第２の舵角を上乗せすることにより前記ステアリングホイールと操舵輪との間の伝達比を可変させる伝達比可変装置であって、請求項１又は請求項２に記載のハーモニックドライブ装置を備えること、を要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の伝達比可変装置を備えた車両用操舵装置であることを要旨とする。
上記各構成によれば、静粛性の高い伝達比可変装置及び車両用操舵装置を提供することができる。

本発明によれば、静粛性の高いハーモニックドライブ装置、伝達比可変装置、及び車両用操舵装置を提供することにある。

以下、本発明を車両用操舵装置に設けられた伝達比可変装置のハーモニックドライブ装置に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態のステアリング装置１の概略構成図である。同図に示すように、ステアリングホイール（ステアリング）２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック５に連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック５の往復直線運動に変換される。そして、このラック５の往復直線運動により操舵輪６の舵角、即ちタイヤ角が可変することにより、車両の進行方向が変更されるようになっている。

また、ステアリング装置１は、モータ７を駆動源としてステアリングホイール２の舵角（操舵角）に対する操舵輪６の舵角（タイヤ角）の比率、即ち伝達比（ギヤ比）を可変させる伝達比可変装置８を備えている。

本実施形態では、ステアリングシャフト３は、ステアリング２が連結された第１シャフト９とラックアンドピニオン機構４に連結される第２シャフト１０とからなり、これら第１シャフト９及び第２シャフト１０は、伝達比可変装置８を介して連結されている。

図２に示すように、伝達比可変装置８は、駆動源としてのモータ７と、差動機構としてのハーモニックドライブ装置１１とを備えており、第１シャフト９の回転を第２シャフト１０に伝達するとともにモータ７の回転を減速して第２シャフト１０に伝達する。そして、ステアリング操作に伴う第１シャフト９の回転に、モータ駆動に基づく回転を上乗せして第２シャフト１０に伝達することにより、ラックアンドピニオン機構４に入力されるステアリングシャフト３の回転を増速（又は減速）し、これにより操舵角に対する操舵輪６の伝達比を可変させるようになっている。

詳述すると、モータ７を収容するハウジング１２は、略有底筒状に形成されており、モータ７は、その出力軸７ａとハウジング１２とが同軸になるように同ハウジング１２内に固定されている。また、ハウジング１２の上壁部１２ａには、同ハウジング１２と同軸となる位置に筒状の嵌合部１３が設けられており、同嵌合部１３は、その軸方向外側（図中上方向）に向かって延設されている。そして、ハウジング１２は、その嵌合部１３と第１シャフト９の一端とが嵌合されることにより同第１シャフト９に固定され、これにより、第１シャフト９とともに一体回転するようになっている。

また、ハウジング１２の上壁部１２ａには、スパイラルケーブル装置１４が設けられている。スパイラルケーブル装置１４は、ハウジング１２とともに一体回転する内筒体１４ａと、該内筒体１４ａの外側において同内筒体１４ａと相対回転可能に設けられた外筒体１４ｂとを有しており、内筒体１４ａの周囲には、同内筒体１４ａと外筒体１４ｂとを電気的に接続するＦＦＣ（フレキシブルフラットケーブル）１４ｃが巻回されている。そして、ハウジング１２の回転に伴う内筒体１４ａの回転により同内筒体１４ａと外筒体１４ｂとの間でＦＦＣ１４ｃが巻き絞め又は巻き広げられることにより、所定の回転範囲（許容回転範囲）においてモータ７とＥＣＵ１５とが電気的に接続されるようになっている。

一方、図３（ａ）（ｂ）に示すように、ハーモニックドライブ装置１１は、ステータギヤ２１と、該ステータギヤ２１と異なる歯数が設定されるとともに該ステータギヤ２１と同軸に並置されるドリブンギヤ２２と、ステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２の内側に該両ギヤと噛み合うように同軸配置される筒状のフレキシブルギヤ２３とを備えている。

図２に示すように、ステータギヤ２１は、ハウジング１２と同軸となるように同ハウジング１２に固定されており、ドリブンギヤ２２は、連結部材２５を介して第２シャフト１０と同軸に連結されている。また、図３（ａ）（ｂ）に示すように、フレキシブルギヤ２３は、楕円状に撓められた状態でステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２の内側に配置されており、その外歯２３ａはステータギヤ２１の内歯２１ａ及びドリブンギヤ２２の内歯２２ａとそれぞれ部分的に噛合されている。そして、ハウジング１２とともにステータギヤ２１が回転し、そのステータギヤ２１の回転がフレキシブルギヤ２３を介してドリブンギヤ２２に伝達されることにより、ステアリング操作に伴う第１シャフト９の回転が第２シャフト１０に伝達されるようになっている。

また、ハーモニックドライブ装置１１は、フレキシブルギヤ２３の内側に配置される波動発生器２７を有している。波動発生器２７は、楕円状に形成されたカム２８と該カム２８の外周に設けられた薄肉のボールベアリング２９とからなり、カム２８にはモータ７の出力軸７ａが連結されている。そして、モータ７（の出力軸７ａ）とともにこのカム２８が回転することにより、ボールベアリング２９の外輪２９ａが弾性変形し、その径方向に凸となる部分が周方向に沿って移動、即ちその外輪２９ａが波動する。

即ち、波動発生器２７は、その外周（ボールベアリング２９の外輪２９ａ）の波動によりフレキシブルギヤ２３の内周２３ｂを径方向外側に押圧し、これによりフレキシブルギヤ２３を楕円形状に撓めてステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２に噛合させるとともに、同噛合部、即ちその撓められた楕円形状を回転させる。そして、ステータギヤ２１とドリブンギヤ２２と間の歯数差に基づいて、ドリブンギヤ２２が波動発生器２７の回転と逆方向に回転することにより、モータ７の回転が減速されて第２シャフト１０に伝達されるようになっている。尚、本実施形態では、ステータギヤ２１及びフレキシブルギヤ２３の歯数は「１０２」、ドリブンギヤ２２の歯数は「１００」に設定されている。そして、これにより、ハーモニックドライブ装置１１の減速比は「５０：１」となっている。

（制振構造）
次に、本実施形態のハーモニックドライブ装置の制振構造について説明する。
図３（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態のハーモニックドライブ装置１１では、波動発生器２７とフレキシブルギヤ２３との間には、弾性層Ｘが設けられている。具体的には、本実施形態では、波動発生器２７の外周にはゴム製のリング部材３０が嵌装されており、上記弾性層Ｘは、このリング部材３０により形成されている。そして、波動発生器２７がフレキシブルギヤ２３を径方向外側に押圧する力、即ちフレキシブルギヤ２３をステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２に噛合させ、及びその噛合部を回転させる力は、上記弾性層Ｘを介してフレキシブルギヤ２３に伝達されるようになっている。

（作用・効果）
次に、上記のように構成されたハーモニックドライブ装置の作用・効果について説明する。図４（ａ）は、従来のハーモニックドライブ装置における各ギヤ間の歯面荷重分布を示すグラフであり、図４（ｂ）は、本実施形態のハーモニックドライブ装置における各ギヤ間の歯面荷重分布を示すグラフである。そして、図５は、フレクスプライン（フレキシブルギヤ）とサーキュラスプライン（ステータギヤ及びドリブンギヤ）との間の径方向隙間を可変した場合の起動トルクの変化を示すグラフである。

尚、図４（ａ）（ｂ）中、符号「Ｓ」「Ｄ」「Ｆ」に示す各線は、それぞれステータギヤ２１、ドリブンギヤ２２、及びフレキシブルギヤ２３の歯面形状を示している。また、同図中、波形「Ｌ」に示す直線は、これら各ギヤ間の各噛み合い箇所の歯面荷重を示しており、その長さ及び方向が、対応する各噛み合い箇所の歯面荷重の大きさ（[ｋｇｆ]、×１．５スケール）を示している。そして、図５中、符号「Ｔ０」に示す波形は、従来のハーモニックドライブ装置における起動トルクの推移を示し、符号「Ｔ１」に示す波形は、本実施形態のハーモニックドライブ装置における起動トルクの推移を示している。尚、同図中、径方向隙間が「−」である場合には、圧入傾向にあることを示すものである。

さて、ハーモニックドライブ装置における作動音並びに振動の主な発生要因としては、次の２点を挙げることができる。
即ち、通常、ハーモニックドライブ装置においては、その起動トルク（波動発生器を静止状態から回転させるときに必要とするトルク）を低く抑えるために、フレクスプライン（フレキシブルギヤ２３）とサーキュラスプライン（ステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２）との間に径方向隙間が設定されている。このため、その負荷状態によって両者の間の噛み合い率（総歯数に対して噛み合う歯数の比率）が変動しやすく、これにより、その円滑なる回転が妨げられることとなる。そして、特に低負荷状態においては、その噛み合い率が低くなることから、噛み合い箇所の隙間（噛合する歯間のガタ）が大となり、それに起因する振動が発生することになる。

また、ハーモニックドライブ装置を構成する各スプライン及び波動発生器は、高負荷に耐えうるよう金属にて形成されるため、その金属接触により歯当たり音及び振動が発生する。そして、その構成がシンプルであるが故に、その歯当たり音及び振動が吸収されることなく作動音として外部に伝達されることになる。

この点を踏まえ、本実施形態のハーモニックドライブ装置１１では、波動発生器２７とフレキシブルギヤ２３との間に弾性層Ｘを設けることにより、波動発生器２７がフレキシブルギヤ２３を径方向外側に押圧する力、即ちフレキシブルギヤ２３をステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２に噛合させ及びその噛合部を回転させる力を分散させる。そして、両者の間の噛み合い率を向上させ、その歯面荷重を分散させることにより、スムーズな噛み合いを実現し、滑らかな回転を確保するとともに、噛み合い箇所の隙間を低減してそのガタに起因する振動の発生を抑制する。そして、発生した振動並びに接触音もまた、この弾性層Ｘにより併せて吸収する。

即ち、従来のごとく、波動発生器２７（のボールベアリング２９の外輪２９ａ）によってフレキシブルギヤ２３を直接押圧する構成では、金属接触となるために、その押圧力が極めて狭い範囲に集中する。従って、図４（ａ）に示すように、その噛み合い率は小さなものとなり（同図中、歯面荷重の発生している箇所（４箇所））、且つ特定の噛み合い箇所に大きな歯面荷重が生ずることになる。

一方、本実施形態のように、弾性層Ｘを介してフレキシブルギヤ２３を押圧する構成とすることで、波動発生器２７（のボールベアリング２９の外輪２９ａ）の波動に伴う押圧力は、同弾性層Ｘにより分散され、比較的広い範囲に亘り略均等にフレキシブルギヤ２３へと伝達される。従って、その噛み合い率が大きくなるとともに（同図中、噛み合い箇所は６箇所）、その歯面荷重もまた各噛み合い箇所に分散されることとなり、これにより、スムーズな噛み合いを実現し、滑らかな回転を確保するとともに、噛み合い箇所の隙間を低減してそのガタに起因する振動の発生を抑制することができる。そして、発生した振動並びに接触音は、同弾性層Ｘにて吸収することができる。その結果、作動音及び振動を低減して、その静粛性の向上を図ることができるようになる。

更に、弾性層Ｘを設け、噛み合い率を向上させてその歯面荷重を分散させることで、図５に示すように、フレクスプライン（フレキシブルギヤ２３）とサーキュラスプライン（ステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２）との間の径方向隙間を小さくした場合であっても、その起動トルクが高くならない。従って、両者の間の噛み合い箇所の隙間（ガタ）を詰めるべく、その径方向隙間を予め小さく設定することが可能となり、これにより一層の滑らかな回転を実現することができるようになる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、本発明を車両用操舵装置に設けられた伝達比可変装置のハーモニックドライブ装置に具体化したが、伝達比可変装置以外のハーモニックドライブ装置に適用してもよい。

・本実施形態では、サーキュラスプラインとしてステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２を、フレクスプラインとしてフレキシブルギヤ２３を備えた所謂フラット型のハーモニックドライブ装置１１に具体化した。しかし、これに限らず、フレキシブルギヤ２３をカップ状に形成しステータギヤ２１の機能を持たせた所謂カップ型のハーモニックドライブ装置に具体化してもよい。

・本実施形態では、弾性層Ｘは、波動発生器２７の外周に嵌装されたゴム製のリング部材３０により形成されることとした。しかし、これに限らず、リング部材３０の素材は狭義のゴムに限らず、柔軟性の高い樹脂素材或いはエラストマー等、弾性材料であればよく、またリング部材を嵌装する形態に限らず、波動発生器２７の外周又はフレキシブルギヤ２３の内周に直接、弾性層Ｘを設ける構成としてもよい。

ステアリング装置の概略構成図。 伝達比可変装置の断面図。 （ａ）ハーモニックドライブ装置のＡ−Ａ断面図、（ｂ）ハーモニックドライブ装置のＢ−Ｂ断面図。 （ａ）（ｂ）ハーモニックドライブ装置における各ギヤ間の歯面荷重分布を示すグラフ。 フレクスプライン（フレキシブルギヤ）とサーキュラスプライン（ステータギヤ及びドリブンギヤ）との間の径方向隙間を可変した場合の起動トルクの変化を示すグラフ。

符号の説明

１…ステアリング装置、２…ステアリングホイール（ステアリング）、６…操舵輪、７…モータ、８…伝達比可変装置、１１…ハーモニックドライブ装置、２１…ステータギヤ、２１a…内歯、２２…ドリブンギヤ、２２a…内歯、２３…フレキシブルギヤ、２３ａ…外歯、２７…波動発生器、３０…リング部材、Ｘ…弾性層。

Claims (4)

1. サーキュラスプラインと、前記サーキュラスプラインの内側において該サーキュラスプラインと噛み合うように同軸配置される筒状のフレクスプラインと、前記フレクスプラインの内側に配置され前記フレクスプラインを非円形に撓ませて該フレクスプラインの外歯を前記サーキュラスプラインの内歯に部分的に噛み合わせるとともに前記撓められたフレクスプラインの非円形の形状を回転させる波動発生器とを備えたハーモニックドライブ装置であって、
   前記フレクスプラインと前記波動発生器との間に弾性層を設けたこと、
   を特徴とするハーモニックドライブ装置。
2. 請求項１に記載のハーモニックドライブ装置において、
   前記弾性層は、ゴム製のリング部材により形成されること、
   を特徴とするハーモニックドライブ装置。
3. ステアリングホイールの操舵角に基づく操舵輪の第１の舵角にモータ駆動に基づく前記操舵輪の第２の舵角を上乗せすることにより前記ステアリングホイールと操舵輪との間の伝達比を可変させる伝達比可変装置であって、
   請求項１又は請求項２に記載のハーモニックドライブ装置を備えること、
   を特徴とする伝達比可変装置。
4. 請求項３に記載の伝達比可変装置を備えた車両用操舵装置。

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