JP2017180799A - 波動歯車減速機 - Google Patents

Abstract

【課題】コーニングを緩和した減速効率の良い波動歯車減速機を提供する。
【解決手段】サーキュラスプライン（３３）と、入力軸が連結されるウェーブジェネレータ（２３）と、円筒面状のフレックススプライン（１）と、フレックススプライン（１）に設けられた穴（５ａ）を貫通するピン（７）を、フレックススプライン（１）の外周側と内周側の両方で支持する外周環状体（９）及び内周環状体（２１）を有し、外周環状体（９）又は前記内周環状体（２１）に出力軸（５３）が連結される波動歯車減速機。
【選択図】図６

Description

本発明は、筒状フレックススプラインを有する波動歯車減速機に関する。

図１は、従来の波動歯車減速機で用いるフレックススプラインの斜視図である。図２（ａ）は、従来の波動歯車減速機の正面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線に関する断面図である。

特許文献１などで周知の波動歯車減速機は、楕円と真円の差動を利用した減速機であり、サーキュラスプライン、ウェーブジェネレータ、フレックススプラインから構成されて、その作動原理は書籍、ウェブサイト等により周知である。図１及び図２（ｂ）の符号１１にみられるように、従来の波動歯車減速機で用いる可撓性歯車（フレックススプライン１１）は、薄肉カップ形状で、カップ底部方向に出力軸と機械的に結合されている。すなわち、フレックススプライン１１の底部１７は、図２（ｂ）のフランジ１９にネジで固定されて、フランジ１９には出力軸のフランジが連結される。

フレックススプライン１１を薄肉カップ形状にする理由は、波動歯車減速機の原理上、歯車の一方（フレックススプライン１１）は、薄肉にして可撓性を有する必要があり、また、バックラッシュを減少させる上で可撓性歯車を出力軸と一体化させる方が好ましいからである。

しかしながら、薄肉カップ形状は出力軸と連結して一体化した構造のため、カップ隅部に応力が集中し、破損の原因となる。さらに、カップ隅部の寸法管理には困難が伴う。こればかりでなく、後述のコーニングの影響を緩和させるため、カップの胴部を回転軸方向に伸ばす必要があり、回転軸方向に長大になることから、薄型が求められる波動歯車減速機とするには限界があった。

ここで、薄肉カップ形状をしたフレックススプライン１１のコーニングの影響について、さらに説明する。コーニング(coning)とは、薄肉カップ形状が円錐形化することであり、図３の二点鎖線に示すように、フレックススプライン１１のカップの胴部１５が中心から外方に反り返った状態を指す。これは、フレックススプライン１１の端部１５ａが、楕円形のウェーブジェネレータによって弾性変形した状態を示している。フレックススプライン１１がコーニングで変形した際の軸方向の変位δは、変形前と変形後の端部１５ａの軸方向の変位を測長器で計測する。

従来、波動歯車減速機の薄肉カップ形状をしたフレックススプライン１１において、コーニングは、以下の（１）〜（３）に示す問題を引き起こしていた。
（１）波動歯車減速機の入力トルクを大きくする。
楕円形のウェーブジェネレータによって、薄肉カップ形状フレックススプライン１１の胴部１５が、楕円状の撓み変形を繰り返す際に、胴部１５と底部１７とを接続するカップ隅部にも撓みが発生する。このカップ隅部は波動歯車減速機の入力トルクによって撓ませているため、入力トルクの損失を発生させていた。

（２）歯車の摩耗が歯筋方向に発生する。
フレックススプライン１１の外周に設けられた歯車が回転軸方向に対して傾斜するので、サーキュラスプラインとの接触箇所が増大して、歯車の偏摩耗が歯筋方向に発生する。このため、摩耗が進みバックラッシュ発生の一因にもなっていた。
（３）フレックススプライン１１の外周に設けられた歯車が回転軸方向に対して傾斜し、かつサーキュラスプラインの内周に設けられた歯車に対し回転軸方向に摺動するため、歯車部の潤滑剤が歯車のない部分に押し出されてしまう。このため、潤滑油の保油性において問題があった。

特開２０１０−１２７３８５号公報

本発明は、コーニングを抑制し、かつバックラッシュを増加させることなく減速効率を向上させた波動歯車減速機を提供する。

ケーシングに設けられたサーキュラスプラインと、入力軸が連結される楕円状カムの外周に、薄肉ボールベアリングを嵌合したウェーブジェネレータと、外周の一部又は全部に歯車が形成された円筒状のフレックススプラインであって、前記ウェーブジェネレータの回転により前記サーキュラスプラインに噛合うフレックススプラインと、前記フレックススプラインに設けられた穴を貫通するピンを、前記フレックススプラインの外周側と内周側の両方で支持する外周環状体及び内周環状体を有し、前記外周環状体又は前記内周環状体に出力軸が連結されることを特徴とする波動歯車減速機である。

本発明によれば、フレックススプラインにカップ状の隅部がないため、コーニングを抑制することができる。また、フレックススプラインから出力軸にピンによって動力を伝える構成とすることにより、フレックススプラインと出力軸の接触部が最小限となり摩擦損失が抑えられ、減速効率を向上させることができる。そして、内周環状体と外周環状体によりピンを支持するようにしたことで、ピンが確実に保持され、ピンの強度が保たれて撓みが抑えられるので、バックラッシュの増加を抑えることができる。

従来の波動歯車減速機で用いるフレックススプラインの斜視図である。 （ａ）は、従来の波動歯車減速機の正面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線に関する断面図である。 カップ形状のフレックススプラインのコーニングしたときの変位δの説明図である。 本発明の実施形態のフレックススプラインの一例の斜視図である。 （ａ）は、本発明の第１実施形態の波動歯車減速機の正面図であり、（ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ線に関する断面図である。 本発明の第１実施形態の波動歯車減速機の詳細断面図である。 （ａ）は、フレックススプライン、内周環状体（リング）、ウェーブジェネレータの関係を示す説明図である。（ｂ）は、ウェーブジェネレータの説明図である。（ｃ）〜（ｆ）は、図７（ａ）のＣ−Ｃ線に関する断面図であり、（ｃ）は、リング締め代がプラスの場合（＋ｅ）を示し、（ｄ）は、リング締め代がゼロの場合を示し、（ｆ）はリング締め代がマイナスの場合（−ｅ）を示す。 出力側が無負荷の場合の、入力側の各回転数に対する従来技術と本発明との入力電流値の比較実験データを示すグラフである。 本発明の第２実施形態の平面図である。 本発明の第３実施形態の平面図である。

以下、各図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。

図４は、本発明の実施形態のフレックススプラインの一例の斜視図である。図５（ａ）は、本発明の第１実施形態の波動歯車減速機の正面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ線に関する断面図である。図６は、本発明の第１実施形態の波動歯車減速機の詳細断面図である。図７（ａ）は、フレックススプライン、内周環状体（リング）、ウェーブジェネレータの関係を示す説明図である。図７（ｂ）は、ウェーブジェネレータの説明図である。図７（ｃ）〜（ｆ）は、図７（ａ）のＣ−Ｃ線に関する断面図であり、図７（ｃ）は、リング締め代がプラスの場合（＋ｅ）を示し、（ｄ）は、リング締め代がゼロの場合を示し、（ｆ）はリング締め代がマイナスの場合（−ｅ）を示す。

以下に述べる本発明の各実施形態では、いずれも図４に示す円筒状のフレックススプライン１を使用するものである。本発明の実施形態のフレックススプライン１には、従来の薄肉カップ形状フレックススプライン１１のような底部１７が存在しない。このため、前述の従来技術のコーニングの悪影響が発生しない。フレックススプライン１は疲労強度の高い特殊鋼で作られており、その名の示すように、ウェーブジェネレータ２３による撓みが可能なものである。

（第１実施形態）
図６を参照して、第１実施形態を説明する。本実施形態のフレックススプライン１は、図４に示されている。フレックススプライン１は、円筒状（筒状）であって、胴部５の外周の一部に歯車３が形成されており、底部はない。図６において胴部５の右端部側には、サーキュラスプライン３３が挿入される。胴部５の左端部側には、図４に示す穴５ａが半径方向に対向して２箇所設けられている。穴５ａは必ずしも２箇所に限定されるものではなく、３個、４個であっても良い。穴５ａを貫通するピン７を、フレックススプライン１の外周側と内周側の両方で、それぞれ、外周環状体９及び内周環状体２１が支持している。ここで、以下において、胴部５の「右端部側」、「左端部側」とは、図６における左右端部を指すものとする。他の実施形態においても同様である。外周環状体９とは、フレックススプライン１の外周側に設置された環状体のことである。内周環状体２１とは、フレックススプライン１の内周側に設置された環状体のことであり、リングとも呼称する。

ピン７は、外周環状体９の固定穴９ａと、内周環状体２１の固定穴２１ａに嵌め合いなどで固定されている。外周環状体９には、本実施形態では、出力軸５３側のフランジにボルトで連結するフランジ部９ｃが一体に形成されている。フランジ部９ｃには、出力軸５３側のフランジに連結するためのネジ穴９ｂが複数箇所設けられている（図５参照）。フレックススプライン１から出力軸５３に至るいずれかの連結部にトルクリミッタ又はワンウェイクラッチ等の機能を設けるようにしても良い。

本実施形態では、図４に示すように、フレックススプライン１には、胴部５の一部にしか歯車３が形成されていないが、外周全体に歯車３を形成しても良い。この場合は、フレックススプライン１の穴５ａの強度を補強することができる。また、全周にスプライン歯切り加工を施すので加工工程が簡略化できる。薄肉ボールベアリング２５を楕円状カム２３’に嵌合したウェーブジェネレータ２３が、胴部５の右端部側の内周部に挿入されている。ウェーブジェネレータ２３は楕円形である。図７（ｂ）には、分かり易くするためにやや誇張して楕円形に表示されているが、実際は長軸と短軸との差はこれほど大きくなく、ごくわずかである。薄肉ボールベアリング２５は、薄肉で弾性変形可能な外輪２５ｂと内輪２５ｃと、それらの間の軌道に複数個のボール２５ａが挿入されている。ウェーブジェネレータ２３の楕円状カム２３’には入力軸５１が連結している。

ケーシング３１には、内歯歯車であるサーキュラスプライン３３が設けられている。通常サーキュラスプライン３３は不動である。楕円形のウェーブジェネレータ２３の回転により、フレックススプライン１の歯車３は、ケーシング３１に設けられたサーキュラスプライン３３と噛合う。波動歯車減速機の原理でよく知られたように、フレックススプライン１の歯車数は、サーキュラスプライン３３の歯車数より、通常２枚少ない。このため、ウェーブジェネレータ２３の１回転に伴い、フレックススプライン１の歯車は、不動のサーキュラスプライン３３の歯車に押し付けられながら、歯車２枚分だけ減速する。

したがって、入力軸５１が回転すると、ウェーブジェネレータ２３が、フレックススプライン１の歯車を、不動のサーキュラスプライン３３の歯車に２箇所押し付けて、フレックススプライン１自らが減速して、ピン７を介して外周環状体９に伝動される。外周環状体９はハウジング３１にボールベアリング２７ａ、２７ｂを介して、回転可能であるので、フランジ部９ｃに連結した出力軸５３に回転が出力される。このように、波動歯車減速機は、小型軽量で、１／１６０程度までの高減速比が得られる。同時噛合い歯数も多くバックラッシュも少ない。

本実施形態では、フレックススプライン１の外周側と内周側の両方で、穴５ａを貫通するピン７を、それぞれ、外周環状体９及び内周環状体２１が支持しており、両持ち支持となっている。穴５ａとピン７は、フレックススプライン１の楕円変形を吸収するようにクリアランスが設けられているが、バックラッシュを減らすためにも、精度よく寸法管理されて加工されている。本実施形態では、ピン７が外周環状体９及び内周環状体２１に両持ち支持されているので、出力側に高減速比に基づき高いトルクが発生しても、ピン７は撓むことなく半径方向に精度よく保持される。このため、穴５ａの偏摩耗、変形を減少させることができる。フレックススプライン１の内側空間を利用して、ピン７でフレックススプライン１を出力側にしっかりと結合することができるので、波動歯車減速機を小型化にすることができる。

本実施形態によれば、フレックススプライン１は、カップ状の隅部がなく、コーニングが緩和されるため、より薄型で長寿命かつ入力トルクの小さい波動歯車減速機を提供することができる。また、フレックススプライン１から出力軸５３にピン７によって動力を伝える構成となっているので、フレックススプライン１と出力軸５３の接触部が最小限となり、摩擦損失が抑えられ、減速効率を向上させることができる。さらにこのとき、ピン７は、それぞれ、外周環状体９及び内周環状体２１によって支持されているので、ピン７が確実に保持され、ピン７の強度が保たれて撓みが抑えられるので、バックラッシュの増加が抑制される。

次に、図７（ｃ）〜（ｆ）を参照して、本実施形態の特徴の１つである締め代ｅによる作用効果について述べる。

締め代の定義を示すために、図７（ｄ）を参照して説明する。フレックススプライン１の右端部にウェーブジェネレータ２３を挿入し、楕円状に撓められたフレックススプライン１を想定する。この時、内周環状体２１（リングともいう）が挿入されない状態での自由端部の最小半径Ｒ₀、すなわち左端部の楕円短軸半径を実測する。この最小半径Ｒ₀は、計算によって算出することも可能である。図７（ｄ）の場合は、内周環状体２１の外周半径が最小半径Ｒ₀に等しい時で、２点で接触した状態である。この時、締め代ｅはゼロである。次に、図７（ｆ）の場合は、内周環状体２１の外周半径が最小半径Ｒ₀より小さい時で、接触しなくなった状態である。この時、締め代ｅはマイナスである。図７（ｃ）の場合は、内周環状体２１の外周半径が最小半径Ｒ₀より大きい時で、フレックススプライン１の内周は内周環状体２１に接触した状態である。この時、締め代ｅはプラスである。

図８は、出力側が無負荷の場合の、入力側の各回転数に対する図１の従来技術（＃４カップ）と、本発明との入力電流値の比較実験データを示すグラフである。

図８の一実験結果に示すように、締め代ｅがほぼゼロの＃１リングが入力軸にかかる入力電流値Ａが最小となっている。締め代がプラス側に大きくなるにつれ、＃４カップに近づいてきている。このことから、内周環状体２１の外周半径を、最小半径Ｒ₀近傍の所定範囲、ゼロ付近から概ね最小半径Ｒ₀のプラス１０％程度に抑えると、減速機の入力トルクを大きく減少させることができる。もちろんマイナス側でも良いが、締め代のマイナス値を大きくしても、接触しないことには変わりないので、基本的にゼロの場合と同じになる。

また、締め代ｅがほぼゼロからプラス側に大きくなるにつれ、コーニングの影響緩和も小さくはなるが、フレックススプライン１が撓み変形した際の穴５ａの変形量が小さくなる為、穴５ａとピン７のクリアランスを小さくできるので、これらの寸法管理が容易になりバックラッシュを小さいものとすることができる。締め代ｅがプラス側に大きくなると、ウェーブジェネレータ２３によるフレックススプライン１の撓み変位分が小さくなるので、穴５ａとピン７との摺動量も小さくなって、これらの摩耗管理が容易になる。
このように、内周環状体の寸法・形状の最適化を図ることにより、入力トルクの増加を抑制できると共に、フレックススプラインを適切に支持することができる為、ピンとフレックススプラインの穴の摩耗を低減させることができ、長寿命化を図ることができる。また、駆動時の振動を抑えることもできる。

（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態の平面図である。

第２実施形態は、図９に示すように、出力軸５３を内周環状体２１に連結して設けた実施形態である。図９に示す実施形態では、分かり易くするために、出力軸５３を内周環状体２１に一体連結しているが、これに限定されるものではない。第１実施形態と同様に、内周環状体２１に一体に形成したフランジと、出力軸５３側のフランジとをボルトで連結するようにしても良い。外周環状体９はハウジング３１にボールベアリング２７ａ、２７ｂを介して、回転可能である。ピン７は、外周環状体９の固定穴９ａと、内周環状体２１の固定穴２１ａに嵌め合いなどで固定されている。その他の構成、作用効果は、第１実施形態と同じである。

（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態の平面図である。

第３実施形態は、図１０に示すように、内周環状体２１を外周環状体９に一体的に結合して、内周環状体２１と外周環状体９とを同軸に構成したものである。外周環状体９には、第１実施形態と同様に、出力軸５３側のフランジにボルトで連結するフランジ部９ｃが一体に形成されている。内周環状体２１を、外周環状体９とフランジ部９ｃによって形成された凹部内に、嵌め合いで嵌めこむと良いが、これに限定されるものではない。第２実施形態のように、内周環状体２１の外周に、外周環状体９を嵌めこむようにしても良い。外周環状体９を内周環状体２１の外周に嵌合するに当たって、フレックススプライン１の左端部がピン７に沿って摺動できるように、両者間に環状の隙間部を設けておく必要がある。

外周環状体９はハウジング３１にボールベアリング２７ａ、２７ｂを介して、回転可能である。ピン７は、外周環状体９の固定穴９ａと、内周環状体２１の固定穴２１ａに嵌め合いなどで固定されている。本実施形態では、内周環状体２１と外周環状体９とを同軸に構成しているので、出力軸の回転をより安定させることができる。その他の構成、作用効果は、第１実施形態と同じである。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

１ フレックススプライン
７ ピン
９ 外周環状体
２１ 内周環状体（リング）
２３ ウェーブジェネレータ
２５ 薄肉ボールベアリング
３１ ケーシング
３３ サーキュラスプライン
５１ 入力軸
５３ 出力軸

Claims (5)

1. ケーシングに設けられたサーキュラスプラインと、
   入力軸が連結される楕円状カムの外周に、薄肉ボールベアリングを嵌合したウェーブジェネレータと、
   外周の一部又は全部に歯車が形成された円筒状のフレックススプラインであって、前記ウェーブジェネレータの回転により前記サーキュラスプラインに噛合うフレックススプラインと、
   前記フレックススプラインに設けられた穴を貫通するピンを、前記フレックススプラインの外周側と内周側の両方で支持する外周環状体及び内周環状体を有し、
   前記外周環状体又は前記内周環状体に出力軸が連結されることを特徴とする波動歯車減速機。
2. 前記内周環状体又は前記外周環状体が前記出力軸と一体的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の波動歯車減速機。
3. 前記内周環状体が前記外周環状体と一体的に結合して、前記内周環状体と前記外周環状体とを同軸に構成したことを特徴とする請求項１に記載の波動歯車減速機。
4. 前記ウェーブジェネレータにより楕円状に撓められた前記フレックススプラインにおける、前記内周環状体が挿入されない状態での自由端部の最小半径に対して、前記内周環状体の外周半径を、前記最小半径近傍の所定範囲としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の波動歯車減速機。
5. 前記ウェーブジェネレータにより楕円状に撓められた前記フレックススプラインにおける、前記内周環状体が挿入されない状態での自由端部の最小半径に対して、前記内周環状体の外周半径を、前記最小半径より大きくしたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の波動歯車減速機。

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