JP2014020495A - 波動歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力トルクをさらに増大させた波動歯車装置を提供する。
【解決手段】波動歯車装置１０は、内歯車１３と、内歯車の内側に配置され、環状に形成された外歯車１８と、外歯車１８の内側に配置され、外歯車１８を撓ませて、内歯車１３の一部と外歯車１８の一部とを噛み合わせるとともに、回転駆動されることにより内歯車１３と外歯車１８とが噛み合う部分を内歯車１３及び外歯車１８の周方向に移動させる波動発生器１９とを備える。外歯車１８の歯は、歯厚が外歯車１８の径方向における内側から外側へ向かうに従って減少し、かつその減少率が径方向における内側から外側へ向かうに従って減少している歯厚減少部を有する。歯厚減少部の歯面に、内歯車１３の歯が当接する。
【選択図】図６

Description

本発明は、波動歯車装置に関し、特に波動歯車装置の内歯車及び外歯車の歯の形状に関する。

従来から、例えば下記特許文献１及び特許文献２に記載されているように、波動歯車装置は知られている。これらの波動歯車装置は、出力トルクを増大させるために、特殊な形状の歯を有する内歯車及び外歯車を採用している。

特許第２８２８５４２号公報 特許第４１３５８３０号公報

波動歯車装置においては、外歯車の内側に設けられた波動発生器によって外歯車が楕円状に撓められ、その長軸上及びその周辺に位置するいくつかの歯が内歯車の歯に押しつけられるようにして噛み合わされている。図７に示すように、内歯車及び外歯車の接点Ｐにおいて外歯車の径方向軸Ｃと平行な方向に作用する押し付け力Ｆは、接点Ｐにおける外歯車の接線Ｌに垂直な方向に作用する力Ｆｈと、径方向軸Ｃに垂直な方向に作用する力Ｆｒとの合力とみなすことができる。したがって、接線Ｌと径方向軸Ｃとがなす角度αが小さいほど、力Ｆｒ（＝Ｆ／ｔａｎα）が大きい。波動歯車装置の出力トルクは、外歯車の歯のうち内歯車に噛み合っている各歯における力Ｆｒと出力軸から接点Ｐまでの距離との積の総和に比例する。従来の波動歯車装置においては、出力トルクと角度αとの関係については考慮されていない。

上記従来の波動歯車装置の外歯車の歯における内歯車に当接する部分の歯面は、凸面状に形成されている（図７参照）。そのため、内歯車の歯と外歯車の歯との接点Ｐが外歯車の歯底面に近いほど、角度αが小さい。つまり、上記従来の波動歯車装置によれば、外歯車の歯の歯底面に近い部分に内歯車の歯を当接させなければ大きなトルクを得ることができない。一般に、波動歯車装置の外歯車の歯は、内歯車の歯を跨ぐように移動する。外歯車の歯の歯底面に近い部分に内歯車の歯を当接させた場合、外歯車の歯が内歯車の歯を跨ぐ際に両者が干渉する可能性が高い。両者の干渉を防止するためには外歯車を大きく撓ませればよいが、外歯車の耐久性が損なわれる。外歯車の耐久性を考慮した場合、外歯車の歯の歯底面に近い部分に内歯車の歯を当接させることができない。故に、波動歯車装置の出力トルクをあまり大きくすることができない。

本発明は上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、出力トルクをさらに増大させた波動歯車装置を提供することにある。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、内歯車（１３）と、内歯車の内側に配置され、環状に形成された外歯車（１８）と、外歯車の内側に配置され、外歯車を撓ませて、内歯車の一部と外歯車の一部とを噛み合わせるとともに、回転駆動されることにより内歯車と外歯車とが噛み合う部分を内歯車及び外歯車の周方向に移動させる波動発生器（１９）とを備えた波動歯車装置（１０）であって、外歯車の歯は、歯厚が外歯車の径方向における内側から外側へ向かうに従って減少し、かつその減少率が前記径方向における内側から外側へ向かうに従って減少している歯厚減少部を有し、歯厚減少部の歯面に、内歯車の歯が当接するように構成されていることにある。この場合、歯厚減少部は、外歯車の歯底面から歯先側に向けて形成されており、内歯車の歯は、歯厚減少部のうち外歯車の歯の前記径方向における中央部（Ｏ）よりも外側（歯先側）の領域（Ａ）に当接するように構成されているとよい。

本発明によれば、歯厚減少部の歯厚は、外歯車の径方向における内側（歯底側）から外側（歯先側）へ向かうに従って減少し、その減少率は、径方向における内側から外側へ向かうに従って減少している。すなわち、歯厚減少部の歯面は凹面状に形成されている。そのため、内歯車の歯と外歯車の歯との接点が径方向外側に近づくほど角度αが小さくなる。したがって、歯厚減少部における径方向外側の端部、とくに外歯車の歯の径方向における中央部よりも外側（歯先側）に形成されている領域に内歯車の歯を当接させることにより大きな出力トルクを得ることができる。

また、歯厚減少部における歯先に近い部分に内歯車の歯を当接させることにより大きなトルクを得ることができるので、波動発生器による外歯車の撓み量をあまり大きくすることなく、外歯車の歯が内歯車の歯を跨ぐ際における両者の干渉を防止できる。特に、内歯車の歯が歯厚減少部のうち外歯車の歯の径方向における中央部（歯丈の高さ方向中間位置）よりも外側（歯先側）に当接するように構成されている場合には、外歯車の撓み量を小さくできる。これにより、外歯車の耐久性を向上させることができる。

また、上記のように、本発明によれば角度αが小さいので、仮令内歯車及び外歯車の製造精度が低く、角度αの大きさが設計値とは多少異なっても、力Ｆｒ（＝Ｆ／ｔａｎα）の大きさに与える影響が少ない。したがって、出力トルクにバラつきが生じ難い。そのため、内歯車１３及び外歯車１８が比較的軟質の材料（樹脂、硬質ゴムなど）で構成されていて、それらの製造精度を高く保つことが困難であっても、出力トルクのバラつきを抑制できる。

また、本発明の他の特徴は、歯厚減少部の歯面の曲率半径は、外歯車の歯の歯丈の２倍以上であることにある。これによれば、歯厚減少部における内歯車との接点の位置が多少変化しても、角度αの変化量が少ない。したがって、歯厚減少部における径方向内側端部に内歯車の歯が当接したときであっても、歯厚減少部における径方向外側端部に内歯車の歯が当接したときとほぼ同等の大きさの力Ｆｒを外歯車の歯に作用させることができる。したがって、歯厚減少部の歯面の曲率半径が小さい場合に比べて、出力トルクを大きくすることができる。

また、本発明の他の特徴は、歯厚減少部の歯面は、凹状の円弧面であることにある。また、本発明の他の特徴は、内歯車の歯における外歯車に当接する部分の歯面は、凸状の円弧面又は平面であることにある。本発明によれば、内歯車及び外歯車の歯の歯面の形状は比較的単純であるので、内歯車及び外歯車を簡単に製造できる。

本発明の一実施形態に係る波動歯車装置の斜視図である。 図１の波動歯車装置を分解して負荷側から見た斜視図である。 図１の波動歯車装置を分解して駆動源側から見た斜視図である。 内歯車の歯の部分を拡大した拡大図である。 外歯車の歯の部分を拡大した拡大図である。 図１の波動歯車装置の内歯車及び外歯車の歯に作用する力の方向を説明するための概念図である。 従来の波動歯車装置の内歯車及び外歯車の歯に作用する力の方向を説明するための概念図である。

本発明の一実施形態に係る波動歯車装置１０について説明する。波動歯車装置１０は、図１に示すように、一般にフラット型と呼ばれるタイプであるが、本発明は、カップ型、シルクハット型と呼ばれるタイプの波動歯車装置にも適用可能である。波動歯車装置１０は、波動歯車装置１０の外郭を構成するハウジング１１を有する。このハウジング１１は、駆動源側に位置する駆動源側ハウジング１２と負荷側に位置する負荷側ハウジング１５を備えている。駆動源側ハウジング１２からは駆動源に接続される入力軸ＳＩが突出し、負荷側ハウジング１５からは負荷に接続される出力軸ＳＯが突出している。駆動源からの駆動力が入力軸ＳＩから波動歯車装置１０に入力され、波動歯車装置１０で減速されるとともに出力軸ＳＯから出力される。入力軸ＳＩと出力軸ＳＯは、同一直線上であってそれぞれ反対の方向に突出する。以下、入力軸ＳＩ及び出力軸ＳＯの突出方向を軸線方向と呼び、入力軸ＳＩが突出する側を駆動源側と呼び、出力軸ＳＯが突出する側を負荷側と呼ぶ。

図２及び図３に示すように、駆動源側ハウジング１２は、リング状に形成されている。駆動源側ハウジング１２の内周面には、内歯車１３が一体的に形成されている。内歯車１３はその中心軸方向が軸線方向に一致するように配置される。また、駆動源側ハウジング１２の駆動源側の端面には、入力軸ＳＩを回転可能に支持する軸受部１４が一体的に形成されており、負荷側の端面は開口している。

次に、内歯車１３の歯の歯形について説明する。図４に示すように、内歯車１３の歯の歯厚は、内歯車１３の径方向（歯の歯丈方向）における外側（歯底側）から内側（歯先側）へ向かうに従って減少している。そして、その歯厚の減少率は、内歯車１３の歯における径方向外側（歯底側）の端部寄りに位置する第１部分１３１においては一定であるが、第１部分１３１の径方向内側（歯先側）の端部に連続する第２部分１３２及び第２部分１３２の径方向内側（歯先側）の端部に連続する第３部分１３３においては径方向外側から内側へ向かうに従って増大している。すなわち、第１部分１３１の歯面は平面であり、第２部分１３２及び第３部分１３３の歯面は凸状の円弧面である。第２部分１３２の歯面の曲率半径は、第３部分１３３の歯面の曲率半径よりも大きい。例えば、第２部分１３２の歯面の曲率半径は、１．５ｍｍであり、第３部分１３３の歯面の曲率半径は、０．３ｍｍである。

負荷側ハウジング１５は、有底円筒状に形成されていて、底面を形成する円板部分の中央には、出力軸ＳＯを回転可能に支持する円筒状の軸受部１６が一体的に形成されている。

上記構成の駆動源側ハウジング１２の開口面と負荷側ハウジング１５の開口面が対面するように両者が付き合わされ、その状態でボルト等の締結部材で両者が締結されることによりハウジング１１が形成される。このようなハウジング１１の内側に、カップリング歯車１７、外歯車１８及び波動発生器１９が収納される。カップリング歯車１７、外歯車１８及び波動発生器１９は回転する部材であり、それぞれの回転中心軸線が同一直線上に位置するように、ハウジング１１内に収納される。

カップリング歯車１７は、円筒状の側周部１７ａと、側周部１７ａの一方の端面を塞ぐように設けられた円板部１７ｂとを有し、側周部１７ａの内周面に歯が形成されている。すなわち、カップリング歯車１７は内歯車であり、その径は内歯車１３と同径である。カップリング歯車１７の円板部１７ｂの負荷側を向いた面の中心部分から出力軸ＳＯが突出して形成されている。このようなカップリング歯車１７は、その開口面を内歯車１３に向かい合わせた状態で、且つその回転軸方向が軸線方向に一致するように、ハウジング１１内に収められている。カップリング歯車１７がハウジング１１に収められた状態では、出力軸ＳＯが軸受部１６に回転可能に支持されるとともに負荷側ハウジング１５から突出する。

外歯車１８は、環状に形成されたリムＲ１を備え、リムＲ１の外周面に歯が一体的に形成されている。この外歯車１８は、その回転軸方向が軸線方向に一致し、且つ内歯車１３の内周側及びカップリング歯車１７の内周側に共に亘るように、これらの内部に収められている。したがって、外歯車１８の歯のうち負荷側寄りの部分がカップリング歯車１７の歯に噛み合い可能であり、駆動源側の部分が内歯車１３の歯に噛み合い可能である。

次に、外歯車１８の歯の歯形について説明する。図５に示すように、外歯車１８の歯は、歯底面から外歯車１８の径方向（歯の歯丈方向）における外側（歯先側）に向けて形成された第１部分１８１と、第１部分１８１の径方向外側（歯先側）の端部に連続する第２部分１８２とを有する。両部分の接続位置（境界位置）は、外歯車１８の歯の径方向（歯の歯丈方向）における中央部Ｏよりも外側（歯先側）の位置である。したがって、第１部分１８１の歯丈方向長さは第２部分１８２の歯丈方向長さよりも長い。第１部分１８１の歯厚は、外歯車１８の径方向内側（歯底側）から外側（歯先側）へ向かうに従って減少している。そして、その歯厚の減少率は、径方向内側（歯底側）から外側（歯先側）へ向かうに従って減少している。一方、第２部分１８２の歯厚は径方向内側から外側へ向かうに従って減少し、歯厚の減少率は径方向内側（歯底側）から外側（歯先側）へ向かうに従って増大している。第１部分１８１の歯面は、凹状の円弧面であり、その曲率半径は、歯丈に比べて十分に大きい。第１部分１８１の歯面の曲率半径は、歯丈の２倍以上であるとよい。本実施形態においては、外歯車１８の歯の歯丈は３．４ｍｍであり、第１部分１８１の曲率半径は６．８ｍｍである。また、第２部分１８２の歯面は、凸状の円弧面である。第１部分１８１の曲率半径は、内歯車１３の第２部分１３２の曲率半径よりも大きい。

内歯車１３の歯の第１部分１３１の径方向中間部（歯先寄りの部分）から第２部分１３２の径方向中間部（歯元寄りの部分）に亘る領域Ｂ（図４参照）内の部分が、外歯車１８の第１部分１８１の径方向外側の端部側の領域、すなわち第１部分１８１の歯先側の領域Ａ内の部分に当接するように、外歯車１８が内歯車１３に対して設計されている。第１部分１８１が本発明の歯厚減少部に相当する。領域Ａは、第１部分１８１のうち外歯車１８の歯の径方向における中央部（歯丈の中央部）Ｏよりも径方向外側（歯先側）に位置している。内歯車１３の歯の領域Ｂ内の部分が領域Ａ内の部分に当接している状態を内歯車１３の歯と外歯車１８の歯が噛み合っている状態という。外歯車１８の歯と内歯車１３の歯とが噛み合った状態において、外歯車１８の歯の歯底面と内歯車１３の歯の歯先面との間には、比較的大きなクリアランス（例えば、１ｍｍ）が形成される。

また、外歯車１８のリムＲ１の内周面には、リムＲ１の外周面に形成された歯の歯幅方向に延びる溝１８ａが形成されている。この溝１８ａは、リムＲ１の外周面のうち歯が形成されている部分とは反対側の内周面の部分に形成されている。したがって、外歯車１８の歯数と同数の溝１８ａが形成されている。このような外歯車１８の内側に波動発生器１９が嵌め込まれる。外歯車１８は可撓性を有しており、次に説明するように、波動発生器１９によって楕円状に撓められる。

波動発生器１９は、円板状に形成された回転板１９ａを有する。回転板１９ａはその回転軸方向が軸線方向に一致するように配置される。回転板１９ａの駆動源側を向いた面の中央部には、入力軸ＳＩが形成されている。入力軸ＳＩは軸受部１４に回転可能に支持される。入力軸ＳＩを回転させると回転板１９ａが回転する。また、回転板１９ａの負荷側を向いた面には、軸１９ｂ，１９ｂが設けられている。軸１９ｂ，１９ｂは、回転板１９ａの中心を挟むような位置に設けられていて、回転板１９ａから各軸１９ｂまでの距離は等しい。したがって、回転板１９ａが回転したときに、これらの軸１９ｂ，１９ｂは同一軌跡上を回転する。軸１９ｂ，１９ｂには、ローラ１９ｃ，１９ｃが組み付けられている。ローラ１９ｃ，１９ｃは、軸１９ｂ，１９ｂ周りに回転可能である。ローラ１９ｃ，１９ｃの一部が回転板１９ａの外周面よりも外側に少し突出している。

外歯車１８に波動発生器１９が嵌め込まれていない状態では、外歯車１８は円環状である。外歯車１８に波動発生器１９が嵌め込まれると、ローラ１９ｃ，１９ｃにおける回転板１９ａの外周面よりも外側に突出した部分が外歯車１８の内周面に当接し、外歯車１８は楕円状に撓められる。楕円状に撓められた外歯車１８の長軸上に位置する歯及びその周辺に位置するいくつかの歯が、内歯車１３及びカップリング歯車１７の歯に噛み合う。

外歯車１８の歯数とカップリング歯車１７の歯数は同一である。これに対して、内歯車１３の歯数は外歯車１８の歯数よりも２×ｎ枚（ｎは正の整数）多い。

上記構成の波動歯車装置１０において、駆動源からの回転駆動力により入力軸ＳＩが回転すると、回転板１９ａも回転する。回転板１９ａの回転によって、回転板１９ａに軸１９ｂ，１９ｂを介して取り付けられているローラ１９ｃ，１９ｃが、回転板１９ａの中心回りを回転する。ローラ１９ｃ，１９ｃがこのように回転することによって、楕円状に撓められている外歯車１８の長軸部分が移動（回転）する。これにより、外歯車１８と内歯車１３との噛み合い部、及び、外歯車１８とカップリング歯車１７との噛み合い部が周方向に移動する。このとき内歯車１３の歯は、外歯車１８の歯の第１部分１８１のうち径方向外側（歯先側）に位置する領域Ａに噛み合う。そして、外歯車１８と内歯車１３の歯数差に基づいて外歯車１８が内歯車１３に対して回転する。一方、外歯車１８の歯数はカップリング歯車１７の歯数と同一であるので、カップリング歯車１７は外歯車１８に対して回転しない。つまり、内歯車１３に対して外歯車１８及びカップリング歯車１７が相対回転する。このため、入力軸ＳＩの回転が減速されるとともにその回転がカップリング歯車１７に形成された出力軸ＳＯに伝達される。本実施形態においては、外歯車１８及びカップリング歯車１７の歯数は７０枚であり、内歯車１３の歯数は７２枚である。したがって、波動歯車装置１０の減速比は、１：３５である。

内歯車１３と外歯車１８とが噛み合っているときには、図６に示すように、内歯車１３及び外歯車１８の接点Ｐにて外歯車１８の歯の径方向軸Ｃと平行な方向に押し付け力Ｆが作用する。押し付け力Ｆは、接点Ｐにおける外歯車１８の接線Ｌに垂直な方向に作用する力Ｆｈと、径方向軸Ｃに垂直な方向に作用する力Ｆｒとの合力とみなすことができる。出力軸ＳＯから取り出される波動歯車装置１０の出力トルクは、外歯車１８の歯のうち内歯車１３に噛み合っている各歯に作用している力Ｆｒと出力軸ＳＯから接点Ｐまでの距離との積の総和に比例する。力Ｆｒは、押し付け力Ｆを、接点Ｐにおける接線Ｌと外歯車１８の歯の歯丈方向に沿った径方向軸Ｃとのなす角αの正接で除すことにより求められる（Ｆｒ＝Ｆ／ｔａｎα）。したがって、前記各歯における角度αが小さいほど、波動歯車装置１０の出力トルクが大きい。

図７に示す従来の外歯車のように、内歯車の歯に当接する部分の歯面が凸面状に形成されている場合には、内歯車の歯と外歯車の歯との接点Ｐが外歯車の歯底面に近いほど、径方向軸Ｃに対する歯面の傾斜角度が小さくなるため角度αは小さくなる。つまり、上記従来の波動歯車装置によれば、外歯車の歯の歯底面に近い部分に内歯車の歯を当接させなければ大きなトルクを得ることができない。これに対し、本実施形態の波動歯車装置１０によれば、外歯車１８の歯のうち第１部分１８１の歯厚は、外歯車１８の径方向内側（歯底側）から外側（歯先側）へ向かうに従って減少し、その減少率は、径方向内側から外側へ向かうに従って減少している。すなわち、第１部分１８１の歯面は凹面状に形成されている。そのため、内歯車１３の歯と外歯車１８の歯との接点Ｐが外歯車１８の歯先側に近いほど、径方向軸Ｃに対する歯面の傾斜角度が小さくなるため角度αは小さくなる。つまり、内歯車１３の歯と外歯車１８の歯との接点Ｐが第１部分１８１のうち歯先寄りの部分である領域Ａに位置していれば、角度αは十分に小さい。したがって、本実施形態のように、領域Ａにて内歯車１３の歯を当接させることにより大きな出力トルクを得ることができる。

また、領域Ａの歯面の曲率半径は、外歯車１８の歯の歯丈よりも十分に大きい。そのため、領域Ａにおける接点Ｐの位置が多少変化しても、角度αの変化量が小さい。したがって、領域Ａにおける径方向内側端部に内歯車１３の歯が当接したときであっても、領域Ａにおける径方向外側端部に内歯車１３の歯が当接したときとほぼ同等の大きさの力Ｆｒを外歯車１８の歯に作用させることができる。

また、領域Ａが、外歯車１８の歯の径方向中央部（歯丈の中央部）Оよりも外周側（歯先側）に形成されているので、外歯車１８の撓み量が小さくても、外歯車１８の歯が内歯車１３の歯を跨ぐ際に両者が干渉することを防止できる。したがって、本実施形態によれば、高出力で、且つ外歯車１８の耐久性を向上させた波動歯車装置１０を提供することができる。

また、上記のように、波動歯車装置１０においては角度αが小さいので、仮令内歯車１３及び外歯車１８の製造精度が低く、角度αの大きさが設計値とは多少異なっても、力Ｆｒ（＝Ｆ／ｔａｎα）の大きさに与える影響が少ない。したがって、角度αが大きい場合に比べて、出力トルクにバラつきが生じ難い。そのため、内歯車１３及び外歯車１８が比較的軟質の材料（樹脂、硬質ゴムなど）で構成されていて、それらの製造精度を高く保つことが困難であっても、出力トルクのバラつきを抑制できる。

また、内歯車１３の歯の第２部分１３２及び第３部分１３３、並びに外歯車１８の歯の第１部分１８１の歯面は円弧面である。このように、内歯車１３及び外歯車１８の歯の歯面の形状は比較的単純であるので、内歯車１３及び外歯車１８を簡単に製造できる。

１０・・・波動歯車装置、１１・・・ハウジング、１３・・・内歯車、１３２・・・第２部分、１７・・・カップリング歯車、１８・・・外歯車、１８１・・・第１部分、１９・・・波動発生器、ＳＩ・・・入力軸、ＳＯ・・・出力軸、α・・・角度

Claims (5)

1. 内歯車と、
   前記内歯車の内側に配置され、環状に形成された外歯車と、
   前記外歯車の内側に配置され、前記外歯車を撓ませて、前記内歯車の一部と前記外歯車の一部とを噛み合わせるとともに、回転駆動されることにより前記内歯車と前記外歯車とが噛み合う部分を前記内歯車及び前記外歯車の周方向に移動させる波動発生器とを備えた波動歯車装置であって、
   前記外歯車の歯は、歯厚が前記外歯車の径方向における内側から外側へ向かうに従って減少し、かつその減少率が前記径方向における内側から外側へ向かうに従って減少している歯厚減少部を有し、
   前記歯厚減少部の歯面に、前記内歯車の歯が当接する、波動歯車装置。
2. 請求項１に記載の波動歯車装置において、
   前記歯厚減少部は、前記外歯車の歯底面から歯先側に向けて形成されており、
   前記内歯車の歯は、前記歯厚減少部のうち前記外歯車の歯の前記径方向における中央部よりも外側の領域に当接する、波動歯車装置。
3. 請求項１又は２に記載の波動歯車装置において、
   前記歯厚減少部の歯面の曲率半径は、前記外歯車の歯の歯丈の２倍以上である、波動歯車装置。
4. 請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の波動歯車装置において、
   前記歯厚減少部の歯面は、凹状の円弧面である、波動歯車装置。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載の波動歯車装置において、
   前記内歯車の歯における前記外歯車に当接する部分の歯面は、凸状の円弧面又は平面である、波動歯車装置。

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