JP2014190396A - 波動歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フラット型の形状的利点をそのまま生かせ、しかも、高度な寸法精度や特別な調整機構無しに理想的な噛合を実現できる、波動歯車装置の提供。
【解決手段】固定側内歯車３と、固定内歯車に並設された回転側内歯車１１と、これらの内周側に配置され、半径方向に撓められて部分的に内歯車と噛合するフレキシブル遊星歯車１９と、フレキシブル遊星歯車の内側に配置され、回転によりフレキシブル遊星歯車を連続的に変形しつつ撓ませる波動発生器２７とを備えた波動歯車装置１において、内歯車３、１１の基部５、１３を弾性とすることで、噛合時のバックラッシを消す。
【選択図】 図５

Description

本発明は波動歯車装置に係り、特に所謂フラット型に好適な波動歯車装置に関するものである。

既存のフラット型の波動歯車装置は、剛性の第１内歯車と、前記第１内歯車に並設された剛性の第２内歯車と、前記第１、第２内歯車の内周側に配置され、半径方向に撓められて膨出部分が前記第１、第２内歯車と噛合するフレキシブル遊星歯車と、前記フレキシブル遊星歯車に内嵌され、前記フレキシブル遊星歯車を撓ませる波動発生器とを備えている。このフラット型の波動歯車装置では、前記波動発生器が回転すると、カム作用によりフレキシブル遊星歯車の描く楕円が連続的に変化することを利用して、内歯車とフレキシブル遊星歯車との部分的噛合位置を円周方向に移動させることで、前記第１内歯車と前記第２内歯車との歯数差に応じて両内歯車の間に相対回転を発生させるようになっている。
このフラット型にすると、全体形状がコンパクトで、しかもフレキシブル遊星歯車がシンプルな円筒状になっているので回転中に無理な応力が掛からず、フレキシブルでありながら十分な形状保持性を維持できる利点がある。

特開平２−２２１７４０号公報 特開２００９−１５６４６２号公報

而して、波動歯車装置は、動作原理上、歯車どうしの噛合にバックラッシをそもそも必要とせず、逆にロボットアーム等に用いる場合には停止精度を高める必要があることから、ノンバックラッシの噛合を実現することが要求されている。
これに答えて、同じ波動歯車装置に属するカップ型では、そのカップ形状を利用して予荷重を付与することでノンバックラッシの噛合を実現することが提案されている。
一方、フラット型では、上記した構造的特徴から、フレキシブル遊星歯車が円筒形になるので、カップ型のような予荷重は期待できない。

特許文献１には、フラット型に対して、フレキシブル遊星歯車の楕円度を高めることで大きな撓み部分を形成し、この撓み部分の予荷重を利用することでノンバックラッシの噛合を実現することが提案されている。しかしながら、この提案では、無理に大きな撓み部分を形成しているので、急激なトルク変動が発生した場合には、歯飛びが起き易くなっている。しかも、バックラッシの改善効果についても、カップ型に比べると明らかに劣る。
また、特許文献２では、フラット型に対して、歯形の形状精度を上げることで、ノンバックラッシの噛合を実現することが提案されている。しかしながら、この提案では、歯車製作上の負担が過大となり、現実的ではない。

本発明は上記従来の問題に着目して為されたものであり、フラット型の形状的利点をそのまま生かせ、しかも、高度な寸法精度や特別な調整機構無しに理想的なノンバックラッシの噛合を実現できる、新規且つ有用な波動歯車装置を提供することを、その目的とする。

本発明者は、内歯車の基部を弾性にすることで、該内歯車側が外歯車を弾性的に受け止めて両歯車の理想的なノンバックラッシの噛合を実現できると共に、該内歯車側の摩耗を軽減して永久変形を阻止し、上記したノンバックラッシの噛合を経時的に確保できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明の請求項１の発明は、第１内歯車と、前記第１内歯車に並設された第２内歯車と、前記第１、第２内歯車の内周側に配置され、半径方向に撓められて部分的に前記第１、第２内歯車と噛合するフレキシブル遊星歯車と、前記フレキシブル遊星歯車の内側に配置され、回転により前記フレキシブル遊星歯車を連続的に変形しつつ撓ませる波動発生器とを備え、前記波動発生器の回転により、前記第１内歯車と前記第２内歯車との歯数差に応じて両内歯車の間に相対回転を発生させる波動歯車装置において、前記第１、第２内歯車は基部が弾性となっており、剛性の取付部に片持ち連結され、且つ前記フレキシブル遊星歯車に対する前記第１、第２内歯車の軸方向の相対的移動が拘束されていることを特徴とする波動歯車装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載した波動歯車装置において、第１、第２内歯車が薄肉体で構成されていることを特徴とする波動歯車装置である。

請求項３の発明は、請求項２に記載した波動歯車装置において、第１、第２内歯車の外周側にバックアップリングが配置されていることを特徴とする波動歯車装置である。

請求項４の発明は、請求項２または３に記載した波動歯車装置において、第１、第２内歯車が円錐歯車で構成され、フレキシブル遊星歯車が双円錐歯車で構成されており、前記フレキシブル遊星歯車の両テーパー面側が前記内歯車側にそれぞれ挟み込まれて軸方向の相対的移動が拘束されていることを特徴とする波動歯車装置である。

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかに記載した波動歯車装置において、波動発生器が、外方に張出して第１、第２内歯車とフレキシブル遊星歯車を噛合させる噛合対応突起部を３つ以上有することを特徴とする波動歯車装置である。

本発明の波動歯車装置によれば、フラット型の形状的利点をそのまま生かせ、しかも、高度な寸法精度や特別な調整機構無しに理想的なノンバックラッシの噛合を実現できる。

本発明の第１の実施の形態に係るフラット型波動歯車装置の分解斜視図である。 図１の波動発生器の分解斜視図である。 図１の（組立済み）波動歯車装置の一部破断斜視図である。 図３の波動歯車装置の噛合状態の説明図である。 図３の波動歯車装置の軸方向移動調整機能の説明用の断面図である。 軸方向移動後の噛合状態の説明用の断面図である。 図３の波動歯車装置の噛合遷移図である。 本発明の第２の実施の形態に係る（組立済み）波動歯車装置の斜視図である。 図８の波動歯車装装置の断面図である。

本発明の第１の実施の形態に係る波動歯車装置１について、図面にしたがって説明する。
図１に示すように、この波動歯車装置１は、固定側内歯車３と、回転側内歯車１１と、フレキシブル遊星歯車１９と、波動発生器２７とを備えており、全て金属材で構成されている。

固定側内歯車３の基部５は、全体として略円筒状であるが、その内周側輪郭が断面視円錐状を為すように形成されており、その内周側テーパー面に内歯７が刻まれて、円錐内歯車となっている。基部５は、薄肉状で基部５全体が弾性である。基部５の拡径側端部に剛性の取付部９が取付けられている。
回転側内歯車１１の基部１３と内歯１５と取付部１７も、固定側内歯車３と同様に形成されている。
但し、回転側内歯車１１の歯数は、固定側内歯車３の歯数より少なく、−３（マイナス３）となっている。それぞれの内歯車３、１１の基部５、１３は略同じ形状を為しているので、歯幅や歯丈を異ならして、上記した歯数の違いを実現している。

フレキシブル遊星歯車１９の基部２１は、全体として略円筒状であるが、外周側輪郭が断面視双円錐状を為すように形成されており、この基部２１の外周側テーパー面にそれぞれ外歯２３、２５が刻まれて、双円錐歯車となっている。フレキシブル遊星歯車１９は、薄肉状で全体が弾性であり、内外周側からの圧しに追従して撓むようになっている。

図２に示すように、波動発生器２７は、外側輪郭が略三角状のカム部２９と、カム部２９に外嵌された波動軸受３１とを備え、カム部２９の中空部がモーターの回転軸（図示省略）の連結部となっている。波動軸受３１は、リテーナ３３により保持された複数の玉３５と、内輪３７、外輪３９を有している。内輪３７は、カム部２９の外周に固定されており、外輪３９は、フレキシブル遊星歯車１９の内周側に嵌合されている。

波動歯車装置１は、上記した部材の組み合わせによって構成されており、図３に示すように、固定側内歯車３と回転側内歯車１１は並設され、これらの内周側にフレキシブル遊星歯車１９が配置されており、固定側内歯車３の内歯７がフレキシブル遊星歯車１９の外歯２３と噛合し、回転側内歯車１１の内歯１５がフレキシブル遊星歯車１９の外歯２５と噛合する。フレキシブル遊星歯車１９には波動発生器２７が内嵌されている。

波動発生器２７のカム部２９の外周輪郭が略三角状で噛合対応突起部３０を為す頂部を３箇所有するので、フレキシブル遊星歯車１９が該３箇所で半径方向外方にその余より大きく張り出し、その対応部分３０Ｃで内歯車３、１１と噛合している。
固定側内歯車３は剛性の取付部９に対して、内歯７の刻まれた基部５が謂わば片持ち連結されたようなものであり、基部５の全体が弾性になっているので、噛合部分ではフレキシブル遊星歯車１９側の外方張出し部分の撓みを弾性的に吸収して、バックラッシを消す作用を果たしている。回転側内歯車１１側も同様の作用を果たしている。

図５に示すように、内歯車３、１１の基部５、１３は撓み可能であり、この基部５、１３がテーパー面の縮径側を互いに対向した状態で、フレキシブル遊星歯車１９の双テーパー面の外側に配置されている。従って、フレキシブル遊星歯車１９に対して、固定側内歯車３と回転側内歯車１１はそれぞれ矢印に示す軸方向（＝歯筋方向）に移動可能になっている。
波動歯車装置１では、上記形状的特徴を利用して、固定側内歯車３と回転側内歯車１１とを軸方向両端側から互いに十分に近づけて挟み込むことで、隙間を極力小さくした状態で軸方向の相対的な変位を拘束できている。

図６（１）では、移動前の噛合状態を示しており、円錐効果を生かしきれず、予荷重が小さく、その分だけ撓み量が少なくなっている。
図６（２）では、移動後の噛合状態を示しており、この拘束下では、フレキシブル遊星歯車１９が回転して、膨出する対応部分３０Ｃがくると、固定側内歯車３と回転側内歯車１１は、基部５、１３が弾性になっているので、矢印に示すように撓んで、フレキシブル遊星歯車１９の外歯２３との噛合部分に予荷重を掛かることができる。予荷重の大きさは上記した軸方向の移動量を調整することで、最適化できる。この予荷重がバックラッシを更に少なくする作用を果たしている。

この波動歯車装置１の噛合遷移について、図７にしたがって説明する。
波動発生器２７が回転すると、波動カム動作により、フレキシブル遊星歯車１９の玉３５が各々自転しながら固定側内歯車３に沿って公転し、フレキシブル遊星歯車１９を連続的に変形しながら、固定側内歯車３とフレキシブル遊星歯車１９との噛合位置と、回転側内歯車１１とフレキシブル遊星歯車１９との噛合位置とを、円周方向に移動させる。従って、フレキシブル遊星歯車１９がリバースアイドラー軸となって、歯数差に応じて、相対回転が生じ、減速回転が回転側内歯車１１側に出力される。

図７（１）では、固定側内歯車３、回転側内歯車１１共に、フレキシブル遊星歯車１９と噛合していないが、図７（２）では噛合を開始し、図７（３）が最も強く噛合したときをそれぞれ示している。
図７（２）では、固定側内歯車３の基部５と、回転側内歯車１１の基部１３とが、撓み始め、図７（３）では更に大きく撓んでいる。
このように、波動歯車装置１では、固定側内歯車３と回転側内歯車１１の基部５、１３の弾性効果だけでなく、予荷重の付与効果により、ノンバックラッシの理想的な噛合が実現されている。

また、この波動歯車装置１では、内歯車３、１１の内形が円錐状で、フレキシブル遊星歯車１９の外形が円錐状なので、噛合は点接触となるが、共に基部５、１３が弾性なので、一方が剛性の場合より点自体の面積も大きい。また、フレキシブル遊星歯車１９が三角状に張り出して３箇所で内歯車３、１１と噛合している。
従って、剛性と許容トルクが高められている。

本発明の第２の実施の形態に係る波動歯車装置４１について、図面にしたがって説明する。
図８、９に示すように、波動歯車装置１に、環状のバックアップリング４３、４５が付設されている。バックアップリング４３は固定側内歯車３の取付部９に軸方向一端側が連結されており、基台５を外周側から僅かな隙間（ＧＡＰ）をあけて囲んでおり、バックアップリング４５も回転側内歯車１１の取付部１７に軸方向一端側が連結されており、基部１３を外周側から僅かな隙間（ＧＡＰ）をあけて囲んでいる。

バックアップリング４３、４５を上記したように付設することで、内歯車３、１１の基部５、１３側の半径方向の過大な膨らみを防止し、安定したバックラッシ管理が可能となっている。
この結果として、過大トルクが発生したときにも、歯飛びや、破損が防止される。

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。
すなわち、特許請求されている形状的、物理的特徴等を満たすものであれば、従来からあるまたは将来案出されるその他の部位の形状的特徴を付加し、素材を任意に選択しても、本発明の範囲に含まれる。
例えば、波動軸受は、玉仕様に限らず、コロ仕様でもよい。
また、フレキシブル遊星歯車では、カム部の形状を変えることで噛合数を変えることができるので、用途に応じて２以上の任意の数に設定できる。
さらに、双円錐歯車の二つの歯車は、同じテーパー形状や歯車設計にしなければならない技術上の必要性は無く、また、二つの円錐の底面どうしが直接相対しておらず、スペーサを介していてもよい。

１‥‥波動歯車装置（第１の実施の形態）
３‥‥固定側内歯車 ５‥‥基部 ７‥‥内歯 ９‥‥取付部
１１‥‥回転側内歯車 １３‥‥基部 １５‥‥内歯 １７‥‥取付部
１９‥‥フレキシブル遊星歯車 ２１‥‥基部 ２３、２５‥‥外歯
２７‥‥波動発生器 ２９‥‥カム部 ３０‥‥噛合対応突起部
３１‥‥波動軸受 ３３‥‥リテーナ ３５‥‥玉 ３７‥‥内輪
３９‥‥外輪
４１‥‥波動歯車装置（第２の実施の形態）
４３、４５‥‥バックアップリング

Claims (5)

1. 第１内歯車と、前記第１内歯車に並設された第２内歯車と、前記第１、第２内歯車の内周側に配置され、半径方向に撓められて部分的に前記第１、第２内歯車と噛合するフレキシブル遊星歯車と、前記フレキシブル遊星歯車の内側に配置され、回転により前記フレキシブル遊星歯車を連続的に変形しつつ撓ませる波動発生器とを備え、前記波動発生器の回転により、前記第１内歯車と前記第２内歯車との歯数差に応じて両内歯車の間に相対回転を発生させる波動歯車装置において、
   前記第１、第２内歯車は基部が弾性となっており、剛性の取付部に片持ち連結され、且つ前記フレキシブル遊星歯車に対する前記第１、第２内歯車の軸方向の相対的移動が拘束されていることを特徴とする波動歯車装置。
2. 請求項１に記載した波動歯車装置において、
   第１、第２内歯車が薄肉体で構成されていることを特徴とする波動歯車装置。
3. 請求項２に記載した波動歯車装置において、
   第１、第２内歯車の外周側にバックアップリングが配置されていることを特徴とする波動歯車装置。
4. 請求項２または３に記載した波動歯車装置において、第１、第２内歯車が円錐歯車で構成され、フレキシブル遊星歯車が双円錐歯車で構成されており、前記フレキシブル遊星歯車の両テーパー面側が前記内歯車側にそれぞれ挟み込まれて軸方向の相対的移動が拘束されていることを特徴とする波動歯車装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載した波動歯車装置において、
   波動発生器が、外方に張出して第１、第２内歯車とフレキシブル遊星歯車を噛合させる噛合対応突起部を３つ以上有することを特徴とする波動歯車装置。

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