JP2012067849A - 回転駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小形軽量で大きなトルクが得られるとともに耐久性に優れ、波動歯車機構に使用することができる回転駆動装置を提供する。
【解決手段】波動発生器１０は、円筒内周面３８を有し、フレクスプライン６の内周面の数箇所に当接して、フレクスプラインをサーキュラスプライン４に対して押圧する回転押圧部材１２と、回転押圧部材の円筒内周面３８の内に延在し、サーキュラスプライン又はフレクスプラインに相対回転不能に固定された複数のセンター部材３２と、各センター部材の外周に形成された前記円筒内周面３８と同心の円筒外周面４２と、各センター部材の間に設けられた加振手段３４と、回転押圧部材の円筒内周面及びセンター部材の円筒外周面のいずれか一方に立設され、円筒内周面及び円筒外周面のいずれか他方に対し周方向に傾斜して圧接し、かつ弾性を有する複数の圧接弾性部材３６とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、波動歯車機構を使用した回転駆動装置に関する。

波動歯車機構を使用して、回転駆動力を減速して出力する回転駆動装置に関する従来技術があった。これらが使用している波動歯車機構は、一般にハーモニックドライブ（登録商標）と呼ばれるもので、波動発生器を形成するカム体の外周面とベアリングを介して当接したフレクスプラインと、フレクスプラインの半径方向外方に設けられたサーキュラスプラインとを備えている。

サーキュラスプラインの内周面には内歯が形成されるとともに、フレクスプラインの外周面には、サーキュラスプラインの内歯よりも少数の外歯が形成されており、カム体の形状に倣って、外歯における円周上の２箇所のみが、サーキュラスプラインの内歯と噛合している。この機構において、波動発生器のカム体を駆動することにより外歯と内歯とが噛合している箇所が円周上を移動し、フレクスプラインにおいて回転駆動力が減速して出力される。

このような回転駆動装置は、波動歯車機構を使用しているため減速比を大きくとることができ、様々な出力の負荷の大きさ、あるいは変動に対応することが可能である。

しかしながら、波動発生器のカム体を電動モータによって駆動しているため、波動発生器の軸方向外方に電動モータが配置されなければならず、装置全体が軸方向に長大化し重量も増大する。したがって、電動モータの大きさも考慮して、回転駆動装置の取付スペースを形成するようにしなければならなかった。そのため、電動モータ以外の駆動方式の駆動装置を使用することが考えられた。

例えば、特許文献１に開示される超音波モータは、圧電体によって励振されて表面に進行波を発生する固定子と、固定子に当接されて相対的に可動する回転子とを有し、固定子及び回転子の少なくとも一方を弾性変形する薄板円板で支持している。そして、圧電体に高周波電圧を印加すると固定子には屈曲振動によって進行波が発生し、加圧接触している回転子が回転するようになっている。

また、特許文献２の超音波リードスクリューモータを含む機構には、ねじ付きシャフト及びねじ付きナットを含み、ねじ付きナットを超音波振動に供し、それによってねじ付きシャフト回転させながら軸方向に移動させる光学アセンブリが開示されている。また、超音波振動を発生させる手段として圧電管が開示されている。この発明の目的は、従来技術よりも実質的に高い効率を有し、かつ高い精度、大きな力及び速度を提供することとされている。

特開昭６２−７７０６８号公報 特表２００８−５１０４４５号公報

ところで、上記の２つの特許文献に開示された技術は、駆動力・推進力に制約が生じる点、及び、摩擦面の摩耗による耐久性の低下の点で問題点があった。特許文献１では、固定子と回転子とが対向する面で加圧接触しているが、加圧方向における圧電体の変形力は小さく、したがって小さな駆動力しか得られない。また、加圧接触している面が荒れると、性能が低下してしまう。特許文献２では、ねじ付きシャフト及びねじ付きナットが螺合面で擦れ合い摩擦力によりシャフトが回転するので、摩擦力以上の推進力は得られない。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、小形軽量で大きなトルクが得られるとともに耐久性に優れ、波動歯車機構を使用した回転駆動装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係る発明の構造上の特徴は、リング状部を有し、前記リング状部の内周面に複数の内歯を有するサーキュラスプラインと、可撓性を有した環状部を備えるように形成され、前記環状部の外周面に前記サーキュラスプラインの内歯よりも少数の外歯を有し、前記サーキュラスプラインの半径方向内方に配置されることにより、前記外歯が前記内歯に対向するフレクスプラインと、前記フレクスプラインの内周面の数箇所を、前記サーキュラスプラインに向けて半径方向外方に押圧することにより、前記外歯の一部のみを前記内歯に対し噛合させるとともに、前記フレクスプラインに対する押圧部位を前記サーキュラスプラインの前記リング状部の中心に位置する回転中心周りに回転移動させる波動発生器と、を備え、前記波動発生器によって前記フレクスプラインにおける押圧部位が回転移動されることにより、前記フレクスプラインが撓みながら、前記外歯と前記内歯とが噛合する円周上の位置が移動し、前記サーキュラスプライン及び前記フレクスプラインのうちの一方を固定することにより、前記サーキュラスプライン及び前記フレクスプラインのうちの他方において、前記波動発生器による回転が減速されて出力される回転駆動装置において、前記波動発生器は、前記回転中心と同心の円筒内周面を有し、前記フレクスプラインの半径方向内方において、前記フレクスプラインに対し回転可能に設けられ、前記フレクスプラインの内周面の数箇所に当接して、前記フレクスプラインを前記サーキュラスプラインに対して押圧する回転押圧部材と、前記回転押圧部材の前記円筒内周面の内に延在し、前記サーキュラスプライン及び前記フレクスプラインのうちのいずれか一方に相対回転不能に固定された複数のセンター部材と、前記複数のセンター部材の外周に共通に形成された前記円筒内周面と同心の円筒外周面と、前記複数のセンター部材が相対回転不能に固定された前記サーキュラスプライン及び前記フレクスプラインのいずれか一方と前記各センター部材との間、又は隣り合う前記センター部材の間に設けられた加振手段と、前記回転押圧部材の前記円筒内周面及び前記センター部材の前記円筒外周面のいずれか一方の面に立設され、前記円筒内周面及び前記円筒外周面のいずれか他方の面に対し周方向に傾斜して圧接し、かつ弾性を有する複数の圧接弾性部材と、を備えていることである。

請求項２に係る発明の構造上の特徴は、請求項１において、前記加振手段は、圧電体であることである。

請求項３に係る発明の構造上の特徴は、請求項１又は２において、前記圧接弾性部材は、前記回転軸線方向に幅を有する板ばねであることである。

請求項４に係る発明の構造上の特徴は、請求項１又は２において、前記圧接弾性部材は、弾性を有する細線からなる線状ばねであることである。

請求項５に係る発明の構造上の特徴は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記圧接弾性部材が前記円筒内周面及び前記円筒外周面のいずれか他方に圧接する傾斜角度は４５°であることである。

請求項１に係る発明によると、フレクスプラインをサーキュラスプラインに対して押圧する回転押圧部材の円筒内周面と、円筒内周面の内に延在するセンター部材の円筒外周面との間に、周方向に傾斜して圧接する複数の圧接弾性部材が設けられているので、加振手段によりセンター部材を加振させると、センター部材と回転押圧部材との相対位置関係が繰り返して微小変動し、複数の圧接弾性部材も繰り返して微小変形し、圧接弾性部材がセンター部材の円筒外周面又は押圧部材の円筒内周面を周方向に傾斜した方向に加圧して、回転押圧部材を回転させる駆動力を発生させる。この駆動力は、複数の圧接弾性部材で同じ回転方向に揃っているので、センター部材と相対回転不能になっていない側のフレクスプライン又はサーキュラスプラインにおいて減速されて回転トルクが出力される。

本発明は、回転押圧部材を回転させるセンター部材、圧接弾性部材及び加振手段が、回転押圧部材内に組み込まれているので、従来の波動発生器のように回転押圧部材を回転させる電動モータ等を回転軸外方に設ける必要がない。そのため、回転駆動装置全体を薄い形状で軽量化を図ることができる。

また、加振手段の加振によって圧接弾性部材が回転押圧部材の円筒内周面を周方向に加圧し、その加圧により回転押圧部材が回転するので、加振手段の加振周波数の制御によって出力回転速度を自在に調整できて制御性が良好である。また、制御に使われる周波数も単純な矩形波でよく、従来の超音波を使った回転駆動装置のように進行波などを使用しないので、制御のための回路も簡単なものを使用することができる。

また、加振手段の変形力、圧接弾性部材の数量や弾性強度を増加させることで、小形軽量であっても大きな回転トルクを得ることができる。

請求項２に係る発明によると、加振手段を圧電体としている。圧電体では、比較的周波数の低い領域から高い超音波領域までの振動を発生でき、回転速度の制御範囲が広い。

請求項３に係る発明によると、圧接弾性部材を板ばねとしている。また、請求項４に係る発明では、圧接弾性部材を線状ばねとしている。板ばねや線状ばねを用いることで数量や弾性強度の設計変更が容易となってトルクの大きさを自在に調整でき、また、一般的な汎用の部材であるためコストも低廉になる。

請求項５に係る発明によると、圧接弾性部材が円筒内周面及び円筒外周面の中の他方面に圧接する傾斜角度を４５°としている。４５°とすることにより、圧接弾性部材が加振の力・変位を回転方向に変換する効率か良く、回転トルク・回転数を最適に出力できる。

本発明の第１実施形態の回転駆動装置を模式的に説明する正面図である。 図１のII-II断面図である。 線状ばねによる圧接弾性部材を示す図。

本発明の実施形態による回転駆動装置２について説明する。尚、説明中において回転軸方向という場合、特に断らなければ、回転駆動装置２の出力回転軸に沿った方向、すなわち図２における上下方向を意味する。また、説明中における上下方向とは、図２における上下方向を意味している。

図１は、本実施形態における回転駆動装置２の概要を示し、回転駆動装置２は、サーキュラスプライン４、フレクスプライン６、ギヤカバー８、波動発生器１０及び波動発生器１０に含まれる回転押圧部材１２によりなり、いわゆる波動歯車機構を構成している。

サーキュラスプライン４は、例えば硬質の合成樹脂材料にて略皿状に形成されている。サーキュラスプライン４の底部１４の外周縁には、真円状のリング状部１６が回転中心ＴＬと平行する方向に延びるように形成されており、リング状部１６の内周面には複数のインナティース（内歯）１８が形成されている。また、底部１４の中央部には、貫通孔２０が形成されている。サーキュラスプライン４は、図示しない固定部材により回転不能に固定されている。

フレクスプライン６は、金属材料または合成樹脂材料により環状に形成されており、サーキュラスプライン４に対して回転移動可能に設けられている。フレクスプライン６の外周面には、サーキュラスプライン４のインナティース１８よりも数歯少ないアウタティース（外歯）２２が形成されている。

アウタティース２２の谷部は薄肉に形成されており、これによって、フレクスプライン６は可撓性を有している。フレクスプライン６はサーキュラスプライン４の半径方向内方に配置されることにより、アウタティース２２がインナティース１８に対向している。

ギヤカバー８は、図２に示すように、合成樹脂材料または金属材料により一体に形成されており、略蓋状を呈している。ギヤカバー８は平坦な上面部２４と、上面部２４から図２において下方へと延びる側面部２６とを備えている。側面部２６の下端は、サーキュラスプライン４のリング状部１６に当接しており、ギヤカバー８はサーキュラスプライン４に対して回転可能に形成されている。

ギヤカバー８の側面部２６の内周面には、フレクスプライン６のアウタティース２２と同数の内歯２８が形成されている。このため、内歯２８がアウタティース２２と噛合することにより、ギヤカバー８はフレクスプライン６と同速度で回転することが可能である。また、ギヤカバー８の上面部２４からは、出力軸部３０が上方に突出している。

波動発生器１０は、回転押圧部材１２とセンター部材としてのセンター部３２と加振手段としての積層圧電体３４と圧接弾性部材としての板ばね部材３６とを主に備えている。回転押圧部材１２は例えば合成樹脂材料により楕円筒状外周面３７を有し、前記サーキュラスプライン４の回転中心ＴＬと同心の円筒内周面３８を有している。回転押圧部材１２はフレクスプライン６の半径方向内方において、フレクスプライン６に対し回転可能に設けられている。回転押圧部材１２の楕円筒状外周面３７の長径部の両端（当接部）がフレクスプライン６の内周面の数箇所に当接し、フレクスプライン６をサーキュラスプライン４に対して押圧するようになっている。これにより、フレクスプライン６の押圧された部位に形成されたアウタティース２２のみが、サーキュラスプライン４の回転中心ＴＬを挟んで対向する２箇所に形成されたインナティース１８及びギヤカバー８の内歯２８と噛合している（図２参照）。

回転押圧部材１２の円筒内周面３８の内にはセンター部３２が配設されている。センター部３２は、図１及び図２に示すように、断面楕円形の先端部が短径方向に延在する切欠き溝４０により２つに分けられている。切欠き溝４０により分けられて対向する２つのセンター部３２は、相互に接近及び離間可能な可撓性を有するよう構成されている。２つに分けられたセンター部３２の各外周には回転押圧部材１２の円筒内周面３８に対向する円筒外周面４２が設けられている。これらの円筒外周面４２は、回転押圧部材１２の円筒内周面３８と同心に設けられている。また、センター部３２は、図２に示すように、サーキュラスプライン４と基端部において一体になっており、センター部３２とサーキュラスプライン４とは相対回転不能になっている。センター部３２の切欠き溝４０の対向内壁には夫々取付穴４４が対向して設けられ、各取付穴４４には積層圧電体３４の端部が夫々挿入固定されている。本実施形態においては、一方の取付穴４４にはシム４６が設けられ、このシム４６によって積層電圧体３４の加振方向の取付調整をするようになっている。

積層圧電体３４は、ＰＺＴ等の圧電材料により矩形薄板状に形成された圧電板が複数枚積層された構造となっている。積層圧電体３４は、図略の電源及び電圧周波数制御回路より電圧を印加されることにより対向するセンター部３２が接近及び離間する方向に加振するようになっている。センター部３２の円筒外周面４２には周方向に傾斜して複数の板ばね部材３６が立設され、板ばね部材３６が回転押圧部材１２の円筒内周面３８に対し４５°で傾斜して圧接することで回転押圧部材１２を回転方向に加圧するよう構成される。

次に本実施形態における回転駆動装置２の動作及び作用について以下に説明する。
図１の回転駆動装置２において、図略の電源及び電圧制御回路より句形状の電圧波形を積層圧電体３４に繰り返し印加させる。積層圧電体３４は２つの対向するセンター部３２の間が広狭となるよう水平方向に加振する。すると、センター部３２の円筒外周面４２が形成する円の外径が大小に繰り返し微小変形し、外径が大きくなったときに板ばね部材３６の先端を回転押圧部材１２の円筒内周面３８に対して傾斜する方向に押圧する。押圧された板ばね部材３６は屈曲されて微小変形し、板ばね部材３６の先端は微小変形の弾発力によって瞬間的に円筒内周面３８から跳ね上がり、再度円筒内周面３８の微小変移位置にに着地して円筒内周面３８を圧接する。この跳ね上がりと圧接の際に円筒内周面３８を周方向に傾斜する方向に押圧する駆動力が発生する。この駆動力はすべての板ばね部材３６で揃っているので、その押圧力によって回転押圧部材１２は図１において時計回りに回転駆動される。

この回転押圧部材１２の回転により、回転押圧部材１２の楕円筒状外周面３７の長径部の両端がフレクスプライン６の内周面に対して摺動しながら円周上を移動し、フレクスプライン６の押圧部位を回転移動させる。これにより、フレクスプライン６が撓みながら、アウタティース２２とインナティース１８とが噛合する円周上の位置が時計回りに移動する。

したがって、サーキュラスプライン４が固定されていることにより、フレクスプライン６が回転押圧部材１２とは反対方向（反時計回り）に回転し、フレクスプライン６と同速度で回転可能なギヤカバー８の出力軸部３０において、回転押圧部材１２による回転が減速されて出力される。

上記のように構成された回転駆動装置によると、フレクスプライン６をサーキュラスプライン４に対して押圧する回転押圧部材１２の円筒内周面３８と、円筒内周面３８の内に延在するセンター部３２の円筒外周面４２との間に、周方向に同方向に傾斜して圧接する複数の板ばね部材３６が設けられているので、積層圧電体３４によりセンター部３２を加振させると、センター部３２と回転押圧部材１２との相対位置関係が繰り返して微小変動し、複数の板ばね部材３６も繰り返して微小変形し、板ばね部材３６がセンター部３２の円筒外周面４２又は押圧部材１２の円筒内周面３８を周方向に傾斜した方向に加圧して、回転押圧部材１２を回転させる駆動力を発生させる。この駆動力は、複数の板ばね部材３６で同じ回転方向に揃っているので、センター部３２と相対回転不能になっていない側のフレクスプライン６において減速されて回転トルクが出力される。

本発明は、回転押圧部材１２を回転させるセンター部３２、板ばね部材３６及び積層圧電体３４が、回転押圧部材１２内に組み込まれているので、従来の波動発生器のように回転押圧部材を回転させる電動モータ等を回転軸外方に設ける必要がない。そのため、回転駆動装置全体を薄い形状で軽量化を図ることができる。

また、積層圧電体３４の加振によって板ばね部材３６が回転押圧部材１２の円筒内周面３８を周方向に加圧し、その加圧により回転押圧部材１２が回転して積層圧電体３４の加振周波数の制御によって出力回転速度を自在に調整できて制御性が良好である。また、制御に使われる周波数も単純な矩形波でよく、従来の超音波を使った回転駆動装置のように進行波などを使用しないので、制御のための回路も簡単なものを使用することができる。

また、積層圧電体３４の変形力、板ばね部材３６の数量や弾性強度を増加させることで、小形軽量であっても大きな回転トルクを得ることができる。

また、互いに接近及び離間する２つのセンター部３２の一対の円筒外周面４２より、板ばね部材３６が回転押圧部材１２の円筒内周面３８を圧接するので、回転押圧部材１２には積層圧電体３４による押圧力が均等に負荷される。そのため、回転押圧部材１２に偏った力が加わることなく高い回転精度で回転押圧部材１２を回転させることができる。

また、加振手段を圧電体（積層圧電体３４）としている。圧電体では、比較的周波数の低い領域から高い超音波領域までの振動を発生でき、回転速度の制御範囲が広い。

また、圧接弾性部材を板ばね部材３６としている。また、図３に示すように、板ばね部材に換えて、圧接弾性部材を線状ばね５０としている。このように板ばね部材や線状ばねを用いることで数量や弾性強度の設計変更が容易となってトルクの大きさを自在に調整でき、また、一般的な汎用の部材であるためコストも低廉になる。

また、ばね板部材３６が回転押圧部材１２の円筒内周面３８に圧接する傾斜角度を４５°としている。４５°とすることにより、ばね板部材３６が加振の力・変位を回転方向に変換する効率か良く、回転トルク・回転数を最適に出力できる。

なお、上記実施形態において、圧接弾性部材の板ばね部材３６は内周側のセンター部３２の円筒外周面４２に立設されているが、これに限定されない。すなわち、外周側の回転押圧部材１２の円筒内周面３８から半径方向内向きに立設され、センター部３２の円筒外周面４２に周方向に同方向に傾斜して圧接し、かつ弾性を有する板ばね部材とすることができる。また、板ばね部材は、図３に示すように、弾性を有する細線からなる金属製や樹脂製などの線状ばね５０に置き換えることもできる。

また、上記実施形態においては、センター部とサーキュラスプラインとが一体で、相対回転不能としたが、これに限定されず、例えばセンター部とフレクスプラインとを相対回転不能な構造としてもよい。この場合には、サーキュラスプラインの回転が出力軸にトルクとして出力される。

また、センター部３２を切欠き溝４０により２つに分けられて対向するものとしたが、これに限定されず、例えば３つに分けられているものでもよい。また、センター部とサーキュラスプラインとは一体のものとしたが、これに限定されず、例えばセンター部とサーキュラスプラインとが互いに相対回転不能に規制されるが、夫々別体のもので形成されていてもよい。

さらに、加振手段の駆動源として圧電体（積層圧電体）の他に、電流を流すことで歪みが生じる磁歪体や、電圧を印加すると内部電子が移動して歪みが発生する高分子樹脂などを用いることができる。本発明は、その他様々な応用が可能である。

２…回転駆動装置、４…サーキュラスプライン、６…フレクスプライン、１０…波動発生器、１２…回転押圧部材、３２…センター部材（センター部）、３４…加振手段（積層圧電体）、３６…圧接弾性部材（板ばね部材）、３８…円筒内周面、４２…円筒外周面、５０…圧接弾性部材（線状ばね）、ＴＬ…回転中心。

Claims (5)

1. リング状部を有し、前記リング状部の内周面に複数の内歯を有するサーキュラスプラインと、
   可撓性を有した環状部を備えるように形成され、前記環状部の外周面に前記サーキュラスプラインの内歯よりも少数の外歯を有し、前記サーキュラスプラインの半径方向内方に配置されることにより、前記外歯が前記内歯に対向するフレクスプラインと、
   前記フレクスプラインの内周面の数箇所を、前記サーキュラスプラインに向けて半径方向外方に押圧することにより、前記外歯の一部のみを前記内歯に対し噛合させるとともに、前記フレクスプラインに対する押圧部位を前記サーキュラスプラインの前記リング状部の中心に位置する回転中心周りに回転移動させる波動発生器と、
   を備え、
   前記波動発生器によって前記フレクスプラインにおける押圧部位が回転移動されることにより、前記フレクスプラインが撓みながら、前記外歯と前記内歯とが噛合する円周上の位置が移動し、前記サーキュラスプライン及び前記フレクスプラインのうちの一方を固定することにより、前記サーキュラスプライン及び前記フレクスプラインのうちの他方において、前記波動発生器による回転が減速されて出力される回転駆動装置において、
   前記波動発生器は、
   前記回転中心と同心の円筒内周面を有し、前記フレクスプラインの半径方向内方において、前記フレクスプラインに対し回転可能に設けられ、前記フレクスプラインの内周面の数箇所に当接して、前記フレクスプラインを前記サーキュラスプラインに対して押圧する回転押圧部材と、
   前記回転押圧部材の前記円筒内周面の内に延在し、前記サーキュラスプライン及び前記フレクスプラインのうちのいずれか一方に相対回転不能に固定された複数のセンター部材と、
   前記複数のセンター部材の外周に共通に形成された前記円筒内周面と同心の円筒外周面と、
   前記複数のセンター部材が相対回転不能に固定された前記サーキュラスプライン及び前記フレクスプラインのいずれか一方と前記各センター部材との間、又は隣り合う前記センター部材の間に設けられた加振手段と、
   前記回転押圧部材の前記円筒内周面及び前記センター部材の前記円筒外周面のいずれか一方の面に立設され、前記円筒内周面及び前記円筒外周面のいずれか他方の面に対し周方向に同方向に傾斜して圧接し、かつ弾性を有する複数の圧接弾性部材と、を備えていることを特徴とする回転駆動装置。
2. 請求項１において、前記加振手段は、圧電体であることを特徴とする回転駆動装置。
3. 請求項１又は２において、前記圧接弾性部材は、前記回転軸線方向に幅を有する板ばねであることを特徴とする回転駆動装置。
4. 請求項１又は２において、前記圧接弾性部材は、弾性を有する細線からなる線状ばねであることを特徴とする回転駆動装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項において、前記圧接弾性部材が前記円筒内周面及び前記円筒外周面のいずれか他方に圧接する傾斜角度は４５°であることを特徴とする回転駆動装置。

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