JP2020094690A - 波動歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波動歯車装置において、弾性リングにより可撓性外歯歯車の不要な変形を抑制するとともに、外歯と内歯との噛み合いを安定させた構造を提供すること。【解決手段】波動歯車装置１は、入力部２０と、波動発生器３０と、可撓性外歯歯車４０と、剛性内歯歯車５０とを有する。入力部および波動発生器は、減速前の第１回転数で回転する。可撓性外歯歯車は、可撓性の筒状部４１を有する。筒状部の外周面には、複数の外歯が設けられている。剛性内歯歯車は、筒状部の径方向外側に位置する。剛性内歯歯車の内周面には、複数の内歯５１が設けられている。複数の外歯のうちの一部の外歯は、波動発生器に押されることによって、内歯と噛み合う。そして、波動発生器の回転に伴い、内歯と外歯との噛み合い位置が、第１回転数で周方向に変化する。その結果、内歯と外歯との歯数の差によって、剛性内歯歯車に対して可撓性外歯歯車が、減速後の第２回転数で相対回転する。【選択図】図１

Description

本発明は、波動歯車装置に関する。

従来、減速機として用いられる波動歯車装置が知られている。波動歯車装置については、例えば、特開２０１３−５７３９７号公報に記載されている。当該公報の波動歯車減速機は、可撓性外歯歯車（フレクスプライン６）と、剛性内歯歯車（サーキュラスプライン７）と、波動発生器（ウェーブジェネレータ１７）とを有する。可撓性外歯歯車の外周面には、外歯が形成されている。剛性内歯歯車の内周面には、外歯と噛み合う内歯が形成されている。波動発生器が回転すると、ローラの公転によって、可撓性外歯歯車が変形して、剛性内歯歯車と可撓性外歯歯車との噛み合い位置が変化する。その結果、可撓性外歯歯車に接続された出力軸から、減速後の回転運動を取り出すことができる。
特開２０１３−５７３９７号公報

この種の波動歯車装置では、可撓性外歯歯車の基端部付近が、平板部と接続されているため、変形しにくい。このため、剛性内歯歯車の内歯に対して、可撓性外歯歯車の外歯を平行に接触させることが難しかった。その結果、外歯および内歯の一部分に応力集中が生じ、高効率化および長寿命化の妨げとなっていた。

また、可撓性外歯歯車の先端部は、波動発生器の回転によって、楕円が回転するような複雑な変形を繰り返す。これにより、可撓性外歯歯車の先端部には、引っ張りと圧縮の繰り返し応力が発生する。このため、波動発生器と接触しない部分において、可撓性外歯歯車に不要な変形が生じ、内歯と外歯との噛み合いが不安定となる場合があった。

特開２０１３−５７３９７号公報では、可撓性外歯歯車の内側に、フレックスリング５が設けられている。このようなフレックスリングを設ければ、可撓性外歯歯車の不要な変形を抑制できると考えられる。しかしながら、当該公報の図３の構造では、波動発生器のローラと、可撓性外歯歯車との間において、フレックスリング５が軸方向に位置ずれしやすいという問題がある。また、当該公報の図４以降の構造では、フレックスリング５の軸方向の位置ずれを抑制できると考えられるが、フレックスリング５に凹部または凸部を精度よく加工しなければならないため、加工コストが増加するという別の問題が生じる。

本発明の目的は、波動歯車装置において、弾性リングにより可撓性外歯歯車の不要な変形を抑制するとともに、外歯と内歯との噛み合いを安定させ、かつ、弾性リングの軸方向の位置ずれも抑制できる構造を提供することを目的とする。

本願の例示的な第１発明は、回転運動を変速させつつ伝達する波動歯車装置であって、中心軸を中心として第１回転数で回転する入力部と、前記入力部とともに回転する波動発生器と、前記波動発生器の径方向外側に位置する可撓性の筒状部を有し、前記筒状部の外周面に複数の外歯を有する可撓性外歯歯車と、前記筒状部の径方向外側に位置し、前記中心軸を中心とする円環状の内周面に、複数の内歯を有する剛性内歯歯車と、を備え、前記剛性内歯歯車の前記内歯の数と前記可撓性外歯歯車の前記外歯の数とが相違し、前記複数の外歯のうちの一部の外歯が、前記波動発生器に押されることによって、前記内歯と噛み合い、前記波動発生器の回転に伴い、前記内歯と前記外歯との噛み合い位置が、前記第１回転数で周方向に変化し、前記内歯と前記外歯との歯数の差によって、前記剛性内歯歯車に対して前記可撓性外歯歯車が、前記第１回転数よりも低い第２回転数で、前記中心軸を中心として相対回転し、前記筒状部は、少なくとも前記噛み合い位置において、軸方向一方側へ向かうにつれて漸次に拡径し、前記筒状部と前記波動発生器との間に、環状の弾性リングをさらに備える。

本発明の観点によれば、可撓性外歯歯車の筒状部と波動発生器との間に、環状の弾性リングを設ける。これにより、筒状部の不要な変形を抑制できる。また、可撓性外歯歯車の筒状部が、少なくとも噛み合い位置において傾斜する。これにより、外歯と内歯との噛み合いを安定させることができるとともに、弾性リングの軸方向の位置ずれを抑制できる。

図１は、第１実施形態に係る波動歯車装置の縦断面図である。 図２は、第１実施形態に係る波動歯車装置の横断面図である。 図３は、第２実施形態に係る波動歯車装置の縦断面図である。 図４は、第３実施形態に係る波動歯車装置の縦断面図である。 図５は、第４実施形態に係る波動歯車装置の縦断面図である。 図６は、第５実施形態に係る波動歯車装置の部分縦断面図である。 図７は、第５実施形態に係る可撓性外歯歯車を軸方向一方側から視た図である。 図８は、第５実施形態の他の例に係る可撓性外歯歯車を軸方向一方側から視た図である。 図９は、第５実施形態の他の例に係る波動歯車装置の部分縦断面図である。 図１０は、第６実施形態に係る波動歯車装置の部分縦断面図である。

以下、本願の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、波動歯車装置の中心軸と平行な方向を「軸方向」、波動歯車装置の中心軸に直交する方向を「径方向」、波動歯車装置の中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。ただし、上記の「平行な方向」とは、略平行な方向も含む。また、上記の「直交する方向」とは、略直交する方向も含む。

＜１．第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る波動歯車装置１の縦断面図である。図２は、図１のII−II位置から見た波動歯車装置１の横断面図である。この波動歯車装置１は、モータから得られる第１回転数の回転運動を、第１回転数よりも低い第２回転数の回転運動に変速（減速）させつつ、後段へ伝達する装置である。波動歯車装置１は、例えば、小型ロボットの関節に、モータとともに組み込まれて使用される。ただし、本発明の波動歯車装置は、アシストスーツ、ターンテーブル、工作機械の割出盤、車椅子、無人搬送車などの他の機器に用いられるものであってもよい。

図１および図２に示すように、本実施形態の波動歯車装置１は、フレーム１０、入力部２０、波動発生器３０、可撓性外歯歯車４０、剛性内歯歯車５０、および弾性リング６０を備えている。

フレーム１０は、波動歯車装置１の後述する各部を直接または間接的に支持する部材である。フレーム１０は、波動歯車装置１が搭載される装置の枠体に固定される。本実施形態のフレーム１０は、第１フレーム１１と、第２フレーム１２とを有する。第１フレーム１１は、中心軸９を中心とする略円筒状の部材である。第２フレーム１２は、第１フレーム１１の軸方向一方側の端部の内側に位置する円環状の部材である。第１フレーム１１と第２フレーム１２とは、ボルト７１により互いに固定されている。ただし、フレーム１０は、単一の部材で形成されていてもよい。

入力部２０は、減速前の第１回転数で回転する部位である。本実施形態の入力部２０は、中心軸９に沿って延びる円柱状の入力シャフト２１を有する。入力シャフト２１の軸方向一方側の端部（基端部）は、第２フレーム１２よりも軸方向一方側へ突出する。入力シャフト２１の軸方向他方側の端部（先端部）は、第１フレーム１１の径方向内側に位置する。第２フレーム１２と入力シャフト２１との間には、第１軸受１３が設けられている。入力シャフト２１は、この第１軸受１３によって、中心軸９を中心として回転可能に支持される。入力シャフト２１の基端部は、図外のモータと、直接またはギア等の動力伝達機構を介して接続される。モータを駆動させると、入力シャフト２１が、中心軸９を中心として、第１回転数で回転する。

波動発生器３０は、後述する可撓性外歯歯車４０の筒状部４１に、周期的な撓み変形を発生させる機構である。上述したモータを駆動させると、入力部２０とともに波動発生器３０も、中心軸９を中心として、第１回転数で回転する。本実施形態の波動発生器３０は、円環状のローラ支持部材３１と、２本の支持ピン３２と、２つのローラ３３とを有する。ローラ支持部材３１は、第１フレーム１１の径方向内側において、入力シャフト２１に固定されている。２本の支持ピン３２は、中心軸９に対して互いに反対側に位置する。各支持ピン３２は、中心軸９に対して平行な姿勢で、その軸方向一方側の端部が、ローラ支持部材３１に固定される。

２つのローラ３３は、それぞれ、支持ピン３２の軸方向他方側の端部に、第２軸受３４を介して取り付けられる。したがって、各ローラ３３は、支持ピン３２を中心として回転（自転）することが可能である。すなわち、本実施形態のローラ３３は、中心軸９と平行な回転軸９１を中心として回転する。図１に示すように、本実施形態のローラ３３は、回転軸９１を中心とする円錐台状である。各ローラ３３の外周面は、軸方向一方側へ向かうにつれて、漸次に拡径する。

可撓性外歯歯車４０は、撓み変形可能な薄型の歯車である。本実施形態の可撓性外歯歯車４０は、筒状部４１と平板部４２とを有する。筒状部４１は、中心軸９の周囲において、軸方向に筒状に延びる。筒状部４１の軸方向一方側の端部は、波動発生器３０の径方向外側、かつ、後述する剛性内歯歯車５０の径方向内側に位置する。平板部４２は、筒状部４１の軸方向他方側の端部から、径方向内側へ向けて広がる円板状の部分である。平板部４２の中央には、図示を省略した出力シャフトが固定される。可撓性外歯歯車４０および出力シャフトは、中心軸９を中心として回転可能に支持される。

筒状部４１および平板部４２のうち、少なくとも筒状部４１は、可撓性を有する。ただし、筒状部４１の軸方向一方側の端部は、自由端であるため、特に径方向に変位しやすい。筒状部４１の軸方向他方側の端部は、平板部４２に繋がる固定端であるため、軸方向一方側の端部に比べて径方向に変位しにくい。

図２に示すように、可撓性外歯歯車４０は、複数の外歯４３を有する。複数の外歯４３は、筒状部４１の上述した軸方向一方側の端部付近の外周面から、径方向外側へ向けて突出する。また、複数の外歯４３は、周方向に一定のピッチで配列されている。筒状部４１は、周方向の２箇所において、波動発生器３０のローラ３３により、径方向外側に押圧される。これにより、周方向の２箇所において、筒状部４１の外歯４３が、後述する剛性内歯歯車５０の内歯５１と噛み合う。以下では、この外歯４３と内歯５１とが噛み合う周方向の位置を、「噛み合い位置」と称する。

図１に示すように、可撓性外歯歯車４０の筒状部４１は、少なくとも噛み合い位置において、中心軸９に対して傾斜する。具体的には、筒状部４１が、噛み合い位置において、軸方向一方側へ向かうにつれて漸次に拡径する。筒状部４１のうち、噛み合い位置以外の部分は、軸方向一方側へ向かうにつれて噛み合い位置よりも緩やかに拡径していてもよく、中心軸９に対して平行であってもよく、あるいは、軸方向一方側へ向かうにつれて僅かに縮径していてもよい。すなわち、外力が作用していない単体の部品の状態では、筒状部４１は、軸方向一方側へ向かうにつれて漸次に拡径するコーン状であってもよいし、あるいは、中心軸９に対して平行な円筒状であってもよい。

剛性内歯歯車５０は、可撓性外歯歯車４０の筒状部４１の径方向外側に位置する円環状の歯車である。剛性内歯歯車５０は、中心軸９と同軸に配置される。剛性内歯歯車５０は、第１フレーム１１の軸方向他方側の端部に、例えばねじ止めで固定される。剛性内歯歯車５０の剛性は、可撓性外歯歯車４０の筒状部４１の剛性よりも、はるかに高い。このため、剛性内歯歯車５０は、実質的に剛体とみなすことができる。

剛性内歯歯車５０は、中心軸９を中心とする円環状であり、かつ、中心軸９に対して傾斜する、コーン状の内周面を有する。具体的には、図１に示すように、剛性内歯歯車５０の内周面は、軸方向一方側へ向かうにつれて漸次に拡径する。また、図２に示すように、剛性内歯歯車５０は、複数の内歯５１を有する。複数の内歯５１は、剛性内歯歯車５０の上述した内周面から、径方向内側へ向けて突出する。また、複数の内歯５１は、周方向に一定のピッチで配列されている。上述した可撓性外歯歯車４０が有する外歯４３の数と、剛性内歯歯車５０が有する内歯５１の数とは、僅かに相違する。

弾性リング６０は、可撓性外歯歯車４０の筒状部４１の不要な変形を抑制するための、環状の部材である。「不要な変形」とは、筒状部４１が、噛み合い位置以外の周方向位置において、非楕円形状に変形し、うねりや凹みが生じる状態を指す。このような不要な変形が生じると、ローラ３３の滑らかな周方向移動が阻害され、内歯５１と外歯４３の噛み合いが不安定となる。弾性リング６０は、筒状部４１と、波動発生器３０の２つのローラ３３との間に位置する。弾性リング６０の外周面は、筒状部４１の内周面に接触する。弾性リング６０の内周面は、周方向の２箇所において、ローラ３３に接触する。したがって、ローラ３３は、弾性リング６０を介して、筒状部４１を径方向外側へ押圧する。なお、図１に示すように、本実施形態の弾性リング６０の断面形状は、軸方向に長い扁平の平行四辺形である。

このような波動歯車装置１において、モータの駆動力により入力部２０が第１回転数で回転すると、入力部２０とともに波動発生器３０も、第１回転数で回転する。そうすると、ローラ３３による筒状部４１の押圧位置、すなわち、外歯４３と内歯５１との噛み合い位置も、第１回転数で周方向に変化する。また、上述の通り、可撓性外歯歯車４０の外歯４３の数と、剛性内歯歯車５０の内歯５１の数とは、僅かに相違する。この歯数の差によって、波動発生器３０の１回転ごとに、外歯４３と内歯５１との噛み合い位置が、周方向に僅かに変化する。その結果、剛性内歯歯車５０に対して可撓性外歯歯車４０が、第１回転数よりも低い第２回転数で回転する。したがって、可撓性外歯歯車４０に固定された出力シャフトから、減速された第２回転数の回転運動を、取り出すことができる。

特に、この波動歯車装置１では、剛性内歯歯車５０の内歯５１が、軸方向一方側へ向かうにつれて漸次に拡径している。また、少なくとも噛み合い位置において、可撓性外歯歯車４０の外歯４３が、軸方向一方側へ向かうにつれて漸次に拡径している。したがって、可撓性外歯歯車４０の外歯４３と、剛性内歯歯車５０の内歯５１とが、少なくとも噛み合い位置において、中心軸９に対して傾斜している。このようにすれば、内歯５１と、波動発生器３０により変形された外歯４３とを、互いに平行に近い状態で接触させることができる。より厳密には、内歯５１の歯筋の延長線と、噛み合い位置における外歯４３の歯筋の延長線とが、中心軸９上の一点で交差することが好ましい。これにより、外歯４３および内歯５１の応力集中を抑制し、両者の噛み合いを安定させることができる。その結果、波動歯車装置１を、高効率化および長寿命化しやすくなる。また、剛性内歯歯車５０の軸方向の位置を調整することで、外歯４３と内歯５１との噛み合いの深さを調節できる。これにより、バックラッシの少ない波動歯車装置１を実現できる。

また、本実施形態の波動歯車装置１は、複数のシム７０を有する。複数のシム７０は、ボルト７１による固定箇所において、第１フレーム１１の軸方向他方側の面と、第２フレーム１２の軸方向一方側の面との間に、介在する。シム７０は、円環状の薄板である。複数のシム７０は、軸方向に重ねて配列される。このシム７０の枚数または各シム７０の軸方向の厚みを調整し、ボルト７１を締め付けることで、第２フレーム１２および剛性内歯歯車５０に対するローラ３３の軸方向の位置を、微調整できる。すなわち、複数のシム７０は、剛性内歯歯車５０に対するローラ３３の軸方向の位置を微調整する調整機構として機能する。その結果、外歯４３と内歯５１との噛み合いの深さを調節できる。

また、可撓性外歯歯車４０が樹脂成形品である場合には、図１において、可撓性外歯歯車４０の筒状部４１の母線に対して、外歯４３の歯底を径方向外側に位置させることが好ましい。これにより、可撓性外歯歯車４０を成形加工するときに、成形用の型を、軸方向の一方側および他方側に分割させることができる。したがって、成形加工が容易になる。

また、この波動歯車装置１では、波動発生器３０の２つのローラ３３と、可撓性外歯歯車４０の筒状部４１との間に、弾性リング６０が設けられている。これにより、筒状部４１の不要な変形を抑制できる。その結果、外歯４３と内歯５１との噛み合いをより安定させることができる。また、弾性リング６０は、ローラ３３のコーン状の外周面と、少なくとも噛み合い位置において傾斜した筒状部４１との間に挟まれて保持される。これにより、弾性リング６０の軸方向の位置ずれが抑制される。

波動発生器３０の２つのローラ３３は、なるべく大きい外径を有することが好ましい。例えば、波動発生器３０の２つのローラ３３は、弾性リング６０の内周面の半径と略同一の外径を有することが好ましい。これにより、外歯４３と内歯５１の噛み合いの歯数を増加させることができる。したがって、回転運動の伝達能力を向上させることができるとともに、外歯４３と内歯５１の噛み合い状態を安定させることができる。

可撓性外歯歯車４０の材料は、金属であってもよいし、樹脂であってもよい。樹脂を用いれば、金属の場合よりも、可撓性外歯歯車４０を軽量化できる。ただし、樹脂製の可撓性外歯歯車４０の筒状部４１には、不要な変形が生じやすい。このような場合に、弾性リング６０は特に有用である。筒状部４１の内周面を弾性リング６０で支持することで、筒状部４１の不要な変形を抑制できる。筒状部４１の不要な変形をより抑制するために、弾性リング６０の材料には、可撓性外歯歯車４０よりもヤング率の高い（硬い）材料を用いることが好ましい。例えば、可撓性外歯歯車４０の材料が樹脂である場合、弾性リング６０の材料には、当該樹脂よりもヤング率の高い樹脂または金属を用いることが好ましい。これにより、可撓性外歯歯車４０を軽量化しつつ、筒状部４１の不要な変形を抑制できる。

また、図１に示すように、本実施形態では、弾性リング６０の軸方向一方側の端部６０ａが、筒状部４１の軸方向一方側の端部４１ａよりも、軸方向他方側に位置する。すなわち、筒状部４１の軸方向一方側の端部４１ａは、弾性リング６０と接触しない。このようにすれば、筒状部４１の軸方向一方側の端部４１ａが、径方向に撓みやすくなる。したがって、筒状部４１の軸方向一方側の端部４１ａにおいて、外歯４３を、内歯５１に沿う角度に変形させやすくなる。その結果、外歯４３および内歯５１の応力集中をより抑制して、両者の噛み合いをより安定させることができる。

＜２．第２実施形態＞
図３は、第２実施形態に係る波動歯車装置１Ａの縦断面図である。図３の波動歯車装置１Ａは、主として波動発生器３０Ａの構造が、上記の第１実施形態と異なる。

この波動歯車装置１Ａの波動発生器３０Ａは、円環状のローラ支持部材３１Ａと、２本の支持ピン３２Ａと、２つのローラ３３Ａとを有する。ローラ支持部材３１Ａは、可撓性外歯歯車４０Ａの筒状部４１Ａの径方向内側において、入力シャフト２１Ａに固定されている。２本の支持ピン３２Ａは、中心軸９Ａに対して互いに反対側に位置する。各支持ピン３２Ａは、中心軸９Ａに対して傾斜した姿勢で、ローラ支持部材３１Ａに固定される。具体的には、支持ピン３２Ａの軸方向一方側の端部は、支持ピン３２Ａの軸方向他方側の端部よりも、中心軸９Ａから離れている。そして、支持ピン３２Ａの軸方向他方側の端部が、ローラ支持部材３１Ａに固定されている。

２つのローラ３３Ａは、それぞれ、支持ピン３２Ａの軸方向一方側の端部に取り付けられた第２軸受３４Ａの外輪である。したがって、各ローラ３３Ａは、支持ピン３２Ａを中心として回転（自転）することが可能である。すなわち、本実施形態のローラ３３Ａは、軸方向一方側へ向かうにつれて中心軸９Ａからの距離が広がるように、中心軸９Ａに対して傾斜した回転軸９２Ａを中心として回転する。図３に示すように、本実施形態のローラ３３Ａは、回転軸９２Ａを中心とする円筒状である。各ローラ３３Ａの外周面の径は、軸方向の位置によらず一定である。

このような構造でも、ローラ３３Ａによって、可撓性外歯歯車４０Ａの筒状部４１Ａを、径方向に対して斜めに押圧することができる。したがって、剛性内歯歯車５０Ａの内歯５１Ａに対して、可撓性外歯歯車４０Ａの外歯４３Ａを、軸方向に対して傾斜した姿勢で噛み合わせることができる。したがって、第１実施形態と同様に、外歯４３Ａと内歯５１Ａとの噛み合いを安定させることができる。

また、本実施形態の波動歯車装置１Ａは、第１軸受１３Ａの軸方向一方側の端部と、フレーム１０Ａとの間に、複数のシム７０Ａを有する。シム７０Ａは、円環状の薄板である。複数のシム７０Ａは、軸方向に重ねて配列される。このシム７０Ａの枚数または各シム７０Ａの軸方向の厚みを変更することで、フレーム１０Ａおよび剛性内歯歯車５０Ａに対するローラ３３Ａの軸方向の位置を微調整できる。すなわち、複数のシム７０Ａは、剛性内歯歯車５０Ａに対するローラ３３Ａの軸方向の位置を微調整する調整機構として機能する。その結果、外歯４３Ａと内歯５１Ａとの噛み合いの深さを調節できる。

また、本実施形態の波動歯車装置１Ａも、可撓性外歯歯車４０Ａの筒状部４１Ａと波動発生器３０Ａのローラ３３Ａとの間に、環状の弾性リング６０Ａを有する。これにより、筒状部４１Ａの不要な変形を抑制できる。また、弾性リング６０Ａは、中心軸９Ａに対して傾斜したローラ３３Ａと、中心軸９Ａに対して傾斜した筒状部４１Ａとの間に挟まれて保持される。これにより、弾性リング６０Ａの軸方向の位置ずれが抑制される。

＜３．第３実施形態＞
図４は、第３実施形態に係る波動歯車装置１Ｂの縦断面図である。図４の波動歯車装置１Ｂは、円環状の出力部８０Ｂを有する点と、可撓性外歯歯車４０Ｂの構造とが、上記の第１実施形態および第２実施形態と異なる。

図４に示すように、出力部８０Ｂは、第１出力部材８１Ｂ、第２出力部材８２Ｂ、および第３出力部材８３Ｂを有する。第１出力部材８１Ｂは、剛性内歯歯車５０Ｂよりも径方向外側において、軸方向に延びる円筒状の部材である。第１出力部材８１Ｂは、剛性内歯歯車５０Ｂに固定されたフレーム１０Ｂの外周面に、第３軸受８４Ｂを介して、回転可能に支持されている。第２出力部材８２Ｂは、可撓性外歯歯車４０Ｂの軸方向一方側に位置する円板状の部材である。第２出力部材８２Ｂの外周部は、第１出力部材８１Ｂに対して、例えばねじ止めで固定される。第３出力部材８３Ｂは、第２出力部材８２Ｂの内周部に固定された円環状の部材である。第３出力部材８３Ｂと入力シャフト２１Ｂとの間には、第４軸受８５Ｂが介在する。したがって、出力部８０Ｂは、入力シャフト２１Ｂとは異なる回転数で、回転することが可能である。

可撓性外歯歯車４０Ｂは、筒状部４１Ｂと平板部４２Ｂとを有する。筒状部４１Ｂは、中心軸９Ｂの周囲において、軸方向に筒状に延びる。平板部４２Ｂは、筒状部４１Ｂの軸方向一方側の端部から、径方向外側へ向けて広がる円板状の部分である。平板部４２Ｂの外周部は、第１出力部材８１Ｂと第２出力部材８２Ｂとの間に挟まれるとともに、例えばねじ止めで、第１出力部材８１Ｂおよび第２出力部材８２Ｂに固定されている。筒状部４１Ｂの軸方向他方側の端部は、波動発生器３０Ｂの径方向外側、かつ、剛性内歯歯車５０Ｂの径方向内側に位置する。

筒状部４１Ｂおよび平板部４２Ｂのうち、少なくとも筒状部４１Ｂは、可撓性を有する。ただし、筒状部４１Ｂの軸方向他方側の端部は、自由端であるため、特に径方向に変位しやすい。筒状部４１Ｂの軸方向一方側の端部は、平板部４２Ｂに繋がる固定端であるため、軸方向他方側の端部に比べて変位しにくい。

可撓性外歯歯車４０Ｂは、複数の外歯４３Ｂを有する。複数の外歯４３Ｂは、筒状部４１Ｂの上述した軸方向他方側の端部付近の外周面から、径方向外側へ向けて突出する。また、複数の外歯４３Ｂは、周方向に一定のピッチで配列されている。筒状部４１Ｂは、周方向の２箇所において、波動発生器３０Ｂのローラ３３Ｂにより、径方向外側に押圧される。これにより、周方向の２箇所において、筒状部４１Ｂの外歯４３Ｂが、剛性内歯歯車５０Ｂの内歯５１Ｂと噛み合う。

本実施形態の波動歯車装置１Ｂにおいても、入力部２０Ｂとともに波動発生器３０Ｂが第１回転数で回転すると、外歯４３Ｂと内歯５１Ｂとの噛み合い位置が変化することにより、剛性内歯歯車５０Ｂに対して可撓性外歯歯車４０Ｂが、減速後の第２回転数で回転する。ただし、本実施形態では、可撓性外歯歯車４０Ｂとともに、円環状の出力部８０Ｂが、第２回転数で回転する。そして、この出力部８０Ｂから、減速後の第２回転数の回転運動が取り出される。

本実施形態においても、可撓性外歯歯車４０Ｂの筒状部４１Ｂは、少なくとも周方向の噛み合い位置において、中心軸９Ｂに対して傾斜する。具体的には、筒状部４１Ｂが、噛み合い位置において、軸方向一方側へ向かうにつれて漸次に拡径する。剛性内歯歯車５０Ｂの内歯５１Ｂも、中心軸９Ｂに対して傾斜している。したがって、剛性内歯歯車５０Ｂの内歯５１Ｂに対して、可撓性外歯歯車４０Ｂの外歯４３Ｂを、軸方向に対して傾斜した姿勢で噛み合わせることができる。したがって、第１実施形態と同様に、外歯４３Ｂと内歯５１Ｂとの噛み合いを安定させることができる。

また、本実施形態の波動歯車装置１Ｂでは、第２出力部材８２Ｂの内周面と、第３出力部材８３Ｂの外周面とに、それぞれ螺旋状のねじ溝が設けられている。そして、第２出力部材８２Ｂと第３出力部材８３Ｂとが、これらのねじ溝の螺合によって、固定されている。このような構造を採れば、第２出力部材８２Ｂの内側で、第３出力部材８３Ｂを回転させることにより、第２出力部材８２Ｂと第３出力部材８３Ｂとの軸方向の相対位置を微調整することができる。したがって、剛性内歯歯車５０Ｂに対するローラ３３Ｂの軸方向の位置を微調整できる。すなわち、第２出力部材８２Ｂおよび第３出力部材８３Ｂのねじ溝は、剛性内歯歯車５０に対するローラ３３の軸方向の位置を微調整する調整機構として機能する。その結果、外歯４３Ｂと内歯５１Ｂとの噛み合いの深さを調節できる。また、調整後には、第２出力部材８２Ｂの軸方向の一方側に、ナット８６Ｂを締結することで、第２出力部材８２Ｂと第３出力部材８３Ｂとの位置関係を一定に維持することができる。

また、本実施形態の波動歯車装置１Ｂも、可撓性外歯歯車４０Ｂの筒状部４１Ｂと波動発生器３０Ｂのローラ３３Ｂとの間に、環状の弾性リング６０Ｂを有する。これにより、筒状部４１Ｂの不要な変形を抑制できる。また、弾性リング６０Ｂは、中心軸９Ｂに対して傾斜したローラ３３Ｂと、中心軸９Ｂに対して傾斜した筒状部４１Ｂとの間に挟まれて保持される。これにより、弾性リング６０Ｂの軸方向の位置ずれが抑制される。

また、可撓性外歯歯車４０Ｂが樹脂成形品である場合には、図４において、可撓性外歯歯車４０Ｂの筒状部４１Ｂの母線に対して、外歯４３Ｂの歯先を径方向内側に位置させることが好ましい。これにより、可撓性外歯歯車４０Ｂを成形加工するときに、成形用の型を、軸方向の一方側および他方側に分割させることができる。したがって、成形加工が容易になる。

＜４．第４実施形態＞
図５は、第４実施形態に係る波動歯車装置１Ｃの縦断面図である。図５の波動歯車装置１Ｃは、入力シャフト２１Ｃがカップリングの機能を有する点が、上記の第１実施形態〜第３実施形態と異なる。

図５に示すように、波動歯車装置１Ｃの入力シャフト２１Ｃは、その軸方向一方側の端部に、カップリング部２２Ｃを有する。カップリング部２２Ｃは、軸方向一方側の端面から、軸方向他方側へ向けて凹む締結穴２２０Ｃを有する。モータ１００Ｃの回転シャフト１１０Ｃは、この締結穴２２０Ｃに挿入される。また、カップリング部２２Ｃの周方向の一部分には、スリット２２１Ｃが設けられている。このスリット２２１Ｃを、例えばねじによって周方向に締め付けることで、モータ１００Ｃの回転シャフト１１０Ｃとカップリング部２２Ｃとが締結される。さらに、波動歯車装置１Ｃのフレーム１０Ｃと、モータ１００Ｃのフレーム１２０Ｃとを、円筒状の筒状フレーム１４Ｃを介して、ボルトで締結する。これにより、モータ１００Ｃと波動歯車装置１Ｃとを、容易に連結できる。

＜５．第５実施形態＞
図６は、第５実施形態に係る波動歯車装置１Ｄの部分縦断面図である。図６の波動歯車装置１Ｄの全体の構造は、第１実施形態の波動歯車装置１と同等であるため、重複説明を省略する。図６の波動歯車装置１Ｄは、可撓性外歯歯車４０Ｄの筒状部４１Ｄの形状が、第１実施形態の波動歯車装置１と異なる。

図６に示すように、この可撓性外歯歯車４０Ｄの筒状部４１Ｄは、接触面４４Ｄと、突出部４５Ｄとを有する。接触面４４Ｄは、筒状部４１Ｄの内周面のうち、弾性リング６０Ｄの外周面と接触する領域である。接触面４４Ｄは、複数の外歯４３Ｄの裏側において、環状に広がる。突出部４５Ｄは、接触面４４Ｄよりも軸方向他方側に位置し、接触面４４Ｄよりも径方向内側へ突出する。

突出部４５Ｄの軸方向一方側の端部は、弾性リング６０Ｄの軸方向他方側の端部と接触する。これにより、弾性リング６０Ｄの位置が、軸方向他方側へずれることを、より抑制できる。仮に、弾性リング６０Ｄの位置が、軸方向他方側へ僅かにずれた場合、筒状部４１Ｄは、径方向外側へ開く方向の力を受ける。このため、可撓性外歯歯車４０Ｄの外歯４３Ｄと、剛性内歯歯車の内歯との噛み合いが過剰に深くなってしまう。しかしながら、図６の構造では、弾性リング６０Ｄの軸方向他方側への位置ずれを抑制できるため、外歯４３Ｄと内歯との噛み合いの深さを、より適正な状態に保つことができる。

ただし、接触面４４Ｄに対する突出部４５Ｄの径方向内側への突出量ｄ１が大き過ぎると、筒状部４１Ｄの可撓性が低下する。このため、突出部４５Ｄの突出量ｄ１は、過度に大きくしない方がよい。突出部４５Ｄの突出量ｄ１は、例えば、弾性リング６０Ｄの厚みｄ２よりも、小さいことが好ましい。

図６の例では、突出部４５Ｄの軸方向一方側の端面と、弾性リング６０Ｄの軸方向他方側の端面とが、面接触している。ただし、突出部４５Ｄと弾性リング６０Ｄとは、必ずしも面接触していなくてもよい。突出部４５Ｄと弾性リング６０Ｄとは、少なくとも一部が接触していればよい。

図７は、本実施形態の可撓性外歯歯車４０Ｄを、軸方向一方側から視た図である。図７に示すように、本実施形態の突出部４５Ｄは、円環状である。すなわち、突出部４５Ｄは、筒状部４１Ｄの内周面の全周にわたって設けられている。このため、突出部４５Ｄが周方向の一部分のみに設けられている場合と比べて、筒状部４１Ｄの可撓性を、全周にわたって均一に保つことができる。

ただし、図８に示すように、突出部４５Ｄは、筒状部４１Ｄの内周面の全周のうちの一部分に、局所的に複数設けられていてもよい。図８の例では、筒状部４１Ｄの内周面の３箇所に、突出部４５Ｄが設けられている。このような形態であっても、３つの突出部４５Ｄにより、弾性リング６０Ｄの軸方向他方側への位置ずれを抑制できる。また、突出部４５Ｄを局所的に設けることにより、円環状の突出部４５Ｄを設ける場合よりも、筒状部４１Ｄの可撓性が低下することを抑制できる。したがって、弾性リング６０Ｄの位置ずれの防止と、筒状部４１Ｄの可撓性の確保とを、両立させることができる。

なお、図８のように、複数の突出部４５Ｄは、周方向に略等間隔に設けられることが好ましい。ただし、各突出部４５Ｄは、筒状部４１Ｄの全周のうち、外歯４３Ｄが位置する周方向位置に設けられることが好ましい。すなわち、各突出部４５Ｄは、外歯４３Ｄの径方向内側に設けられることが好ましい。このようにすれば、筒状部４１Ｄの隣り合う外歯４３Ｄの間の薄肉部における可撓性が低下しにくい。したがって、筒状部４１Ｄの可撓性が低下することを、より抑制できる。

また、図６の例では、突出部４５Ｄが段差状であった。すなわち、突出部４５Ｄが、接触面４４Ｄに対しては径方向内側へ突出しているものの、突出部４５Ｄよりも軸方向他方側の部分は、筒状部４１Ｄに対して径方向内側への突出が認められない。しかしながら、図９のように、突出部４５Ｄは、軸方向の両側の領域に対して径方向内側へ突出する突起であってもよい。

＜６．第６実施形態＞
図１０は、第６実施形態に係る波動歯車装置１Ｅの部分縦断面図である。図１０の波動歯車装置１Ｅの全体の構造は、第１実施形態の波動歯車装置１と同等であるため、重複説明を省略する。図１０の波動歯車装置１Ｅは、弾性リング６０Ｅの形状が、第１実施形態の波動歯車装置１と異なる。

図１０に示すように、この弾性リング６０Ｅは、突起部６１Ｅを有する。突起部６１Ｅは、弾性リング６０Ｅの軸方向一方側の端部の外周部から、径方向外側へ突出する。突起部６１Ｅの先端は、筒状部４１Ｅの内周面よりも、径方向外側に位置する。突起部６１Ｅの軸方向他方側の端部は、筒状部４１Ｅの軸方向一方側の端部と接触する。これにより、弾性リング６０Ｅの位置が、軸方向他方側へずれることを、抑制できる。したがって、第５実施形態と同様に、外歯４３Ｅと内歯との噛み合いの深さを、適正な状態に保つことができる。

図１０の例では、突起部６１Ｅの軸方向他方側の端面と、筒状部４１Ｅの軸方向一方側の端面とが、面接触している。ただし、突起部６１Ｅと筒状部４１Ｅとは、必ずしも面接触していなくてもよい。突起部６１Ｅと筒状部４１Ｅとは、少なくとも一部が接触していればよい。また、突起部６１Ｅは、弾性リング６０Ｅの軸方向一方側の端部の全周にわたって、環状に設けられていてもよく、あるいは、周方向の一部分のみに設けられていてもよい。

＜７．変形例＞
以上、本発明の第１実施形態〜第５実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態には限定されない。

上記の各実施形態では、波動発生器が、２つのローラを有していた。しかしながら、波動発生器は、３つ以上のローラを有していてもよい。また、本願の各図では、ローラが、転がり軸受により回転可能に支持されているか、または、転がり軸受自体の外輪であった。しかしながら、ローラは、滑り軸受などの転がり軸受以外の手段により、回転可能に支持されていてもよい。また、波動発生器は、軸方向視において楕円等の非真円形状を有するカムの回転により、可撓性外歯歯車の筒状部を撓ませるものであってもよい。

また、上記の実施形態では、剛性内歯歯車を非回転に固定し、可撓性外歯歯車を、減速後の第２回転数で回転させていた。しかしながら、可撓性外歯歯車を非回転に固定し、剛性内歯歯車を、減速後の第２回転数で回転させてもよい。すなわち、可撓性外歯歯車と剛性内歯歯車とは、いずれか一方が、他方に対して、第２回転数で相対回転すればよい。

また、上記の第１実施形態、第２実施形態、および第４実施形態では、可撓性外歯歯車の平板部が、筒状部の軸方向他方側の端部から、径方向内側へ向けて広がっていた。しかしながら、可撓性外歯歯車の平板部は、筒状部の軸方向一方側の端部から、径方向内側へ向けて広がるものであってもよい。

また、上記の第３実施形態では、可撓性外歯歯車の平板部が、筒状部の軸方向一方側の端部から、径方向外側へ向けて広がっていた。しかしながら、可撓性外歯歯車の平板部は、筒状部の軸方向他方側の端部から、径方向外側へ向けて広がるものであってもよい。

また、波動歯車装置の細部の形状については、上述の実施形態の各図に示された形状と相違していてもよい。また、上記の各実施形態および各変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。例えば、第２実施形態〜第４実施形態の波動歯車装置の可撓性外歯歯車に、第５実施形態の突出部または第６実施形態の突起部を組み合わせてもよい。

本願は、波動歯車装置に利用できる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 波動歯車装置
９，９Ａ，９Ｂ 中心軸
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ フレーム
１１ 第１フレーム
１２ 第２フレーム
１３，１３Ａ 第１軸受
１４Ｃ 筒状フレーム
２０，２０Ｂ 入力部
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ 入力シャフト
２２Ｃ カップリング部
３０，３０Ａ，３０Ｂ 波動発生器
３１，３１Ａ ローラ支持部材
３２，３２Ａ 支持ピン
３３，３３Ａ，３３Ｂ ローラ
３４，３４Ａ 第２軸受
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｄ 可撓性外歯歯車
４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｄ，４１Ｅ 筒状部
４２，４２Ｂ 平板部
４３，４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｄ，４３Ｅ 外歯
４４Ｄ 接触面
４５Ｄ 突出部
５０，５０Ａ，５０Ｂ 剛性内歯歯車
５１，５１Ａ，５１Ｂ 内歯
６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｄ，６０Ｅ 弾性リング
６１Ｅ 突起部
７０Ａ シム
８０Ｂ 出力部
８１Ｂ 第１出力部材
８２Ｂ 第２出力部材
８３Ｂ 第３出力部材
８４Ｂ 第３軸受
８５Ｂ 第４軸受
８６Ｂ ナット
９１ 回転軸
９２Ａ 回転軸
１００Ｃ モータ
１１０Ｃ 回転シャフト
１２０Ｃ モータのフレーム
２２０Ｃ 締結穴
２２１Ｃ スリット

Claims (24)

1. 回転運動を変速させつつ伝達する波動歯車装置であって、
   中心軸を中心として第１回転数で回転する入力部と、
   前記入力部とともに回転する波動発生器と、
   前記波動発生器の径方向外側に位置する可撓性の筒状部を有し、前記筒状部の外周面に複数の外歯を有する可撓性外歯歯車と、
   前記筒状部の径方向外側に位置し、前記中心軸を中心とする円環状の内周面に、複数の内歯を有する剛性内歯歯車と、
   を備え、
   前記剛性内歯歯車の前記内歯の数と前記可撓性外歯歯車の前記外歯の数とが相違し、
   前記複数の外歯のうちの一部の外歯が、前記波動発生器に押されることによって、前記内歯と噛み合い、
   前記波動発生器の回転に伴い、前記内歯と前記外歯との噛み合い位置が、前記第１回転数で周方向に変化し、
   前記内歯と前記外歯との歯数の差によって、前記剛性内歯歯車に対して前記可撓性外歯歯車が、前記第１回転数よりも低い第２回転数で、前記中心軸を中心として相対回転し、
   前記筒状部は、少なくとも前記噛み合い位置において、軸方向一方側へ向かうにつれて漸次に拡径し、
   前記筒状部と前記波動発生器との間に、環状の弾性リングをさらに備える、波動歯車装置。
2. 請求項１に記載の波動歯車装置であって、
   前記剛性内歯歯車の前記内周面は、軸方向一方側へ向かうにつれて漸次に拡径し、
   前記筒状部は、外力が作用していない単体の部品の状態において、軸方向一方側へ向かうにつれて漸次に拡径する、波動歯車装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の波動歯車装置であって、
   前記波動発生器は、
   周方向に配列された複数のローラ
   を有し、
   前記複数のローラが、それぞれ、前記弾性リングの内周面に接触する、波動歯車装置。
4. 請求項３に記載の波動歯車装置であって、
   前記筒状部は、前記筒状部の内周面のうち、前記弾性リングの外周面と接触する領域よりも、径方向内側へ突出する突出部を有する、波動歯車装置。
5. 請求項４に記載の波動歯車装置であって、
   前記突出部と前記弾性リングとは少なくとも一部が接触する、波動歯車装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の波動歯車装置であって、
   前記突出部は、軸方向において、前記弾性リングの外周面と前記筒状部とが接触する領域よりも軸方向他方側に位置する、波動歯車装置。
7. 請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載の波動歯車装置であって、
   前記突出部は、前記筒状部の全周にわたって設けられる、波動歯車装置。
8. 請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載の波動歯車装置であって、
   前記突出部は、前記筒状部の全周のうちの一部に局所的に、複数設けられる、波動歯車装置。
9. 請求項８に記載の波動歯車装置であって、
   前記突出部は、前記筒状部の全周のうちの前記外歯が位置する周方向位置に設けられる、波動歯車装置。
10. 請求項３に記載の波動歯車装置であって、
    前記弾性リングは、径方向外側へ突出する突起部を有し、
    前記突起部が、前記筒状部の軸方向一方側の端部に接触する、波動歯車装置。
11. 請求項３から請求項１０までのいずれか１項に記載の波動歯車装置であって、
    前記ローラは、前記弾性リングの内周面の半径と略同一の外径を有する、波動歯車装置。
12. 請求項３から請求項１１までのいずれか１項に記載の波動歯車装置であって、
    前記ローラは、前記中心軸と平行な回転軸を中心として回転し、
    前記ローラの外周面が、軸方向一方側へ向かうにつれて漸次に拡径する、波動歯車装置。
13. 請求項３から請求項１１までのいずれか１項に記載の波動歯車装置であって、
    前記ローラは、軸方向一方側へ向かうにつれて前記中心軸からの距離が広がるように、前記中心軸に対して傾斜した回転軸を中心として回転し、
    前記ローラの外周面は、前記回転軸を中心とする円筒状である、波動歯車装置。
14. 請求項３から請求項１３までのいずれか１項に記載の波動歯車装置であって、
    前記ローラは、転がり軸受により回転可能に支持されるか、または、
    前記ローラが、転がり軸受の外輪である、波動歯車装置。
15. 請求項３から請求項１４までのいずれか１項に記載の波動歯車装置であって、
    前記剛性内歯歯車に対する前記ローラの軸方向の位置を微調整する調整機構
    をさらに備える、波動歯車装置。
16. 請求項１５に記載の波動歯車装置であって、
    前記調整機構は、前記剛性内歯歯車に対する前記ローラの軸方向の位置を微調整するためのシムまたはねじ溝を含む、波動歯車装置。
17. 請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載の波動歯車装置であって、
    前記弾性リングは、前記可撓性外歯歯車よりもヤング率の高い材料からなる、波動歯車装置。
18. 請求項１７に記載の波動歯車装置であって、
    前記可撓性外歯歯車の材料は樹脂であり、
    前記弾性リングの材料は金属である、波動歯車装置。
19. 請求項１から請求項１８までのいずれか１項に記載の波動歯車装置であって、
    前記弾性リングの軸方向一方側の端部は、前記筒状部の軸方向一方側の端部よりも、軸方向他方側に位置する、波動歯車装置。
20. 請求項２に記載の波動歯車装置であって、
    前記内歯の歯筋の延長線と、前記噛み合い位置における前記外歯の歯筋の延長線とが、前記中心軸上の一点で交差する、波動歯車装置。
21. 請求項１から請求項２０までのいずれか１項に記載の波動歯車装置であって、
    前記可撓性外歯歯車は、
    前記筒状部の軸方向一方側または軸方向他方側の端部から径方向内側へ向けて広がる平板部
    をさらに有する、波動歯車装置。
22. 請求項２１に記載の波動歯車装置であって、
    前記可撓性外歯歯車は、
    前記外歯の歯底が前記筒状部の母線よりも径方向外側に位置する、波動歯車装置。
23. 請求項１から請求項２０までのいずれか１項に記載の波動歯車装置であって、
    前記可撓性外歯歯車は、
    前記筒状部の軸方向一方側または軸方向他方側の端部から径方向外側へ向けて広がる平板部
    をさらに有する、波動歯車装置。
24. 請求項２３に記載の波動歯車装置であって、
    前記可撓性外歯歯車は、
    前記外歯の歯先が前記筒状部の母線よりも径方向内側に位置する、波動歯車装置。
    

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