JP2021099126A - 可撓性軸受および減速機 - Google Patents

Abstract

【課題】可撓性軸受において、球体の摩擦を抑えることができ、かつ、内輪、外輪、および複数の球体で構成されるアセンブリから、球体を保持するリテーナが抜けることを防止できる構造を提供する。【解決手段】内輪、外輪、複数の球体３３、およびリテーナ３４を有する。リテーナは、円環状のベース部６１と、周方向に等間隔に配列される複数の仕切部６２と、を有する。仕切部は、ベース部から軸方向に延びる壁部６２１と、壁部の先端に位置する頭部６２２と、を有する。球体は、隣り合う壁部の間の空間であるポケット６３に配置される。ポケットは、径方向に直線状に延びる。また、頭部は、径方向内側の端部から周方向の両側へ突出する内側突起６２４と、径方向外側の端部から周方向の両側へ突出する外側突起６２５と、を有する。周方向に向かい合う内側突起の周方向の間隔、および、周方向に向かい合う外側突起の周方向の間隔は、球体の直径よりも小さい。【選択図】図６

Description

本発明は、可撓性軸受および減速機に関する。

近年、ロボットの関節などに搭載される減速機の需要が急速に高まっている。また、減速機の需要とともに、減速機に使用される軸受の需要も高まっている。減速機に使用される従来の軸受については、例えば、特許第６２５５４４３号公報に記載されている。この公報の軸受（Ｅ）は、ハーモニック減速機に使用されるものであり、内輪（３）、外輪（４）、複数の転動体（２）、および環状の保持器（５）を有する。保持器（５）は、内輪（３）と外輪（４）との間に設けられる。転動体（２）は、保持器（５）に設けられた複数の保持部（５２）に保持される（段落０００９，図１等参照）。
特許第６２５５４４３号公報

上記公報の軸受（Ｅ）は、減速機に組み込まれた状態において、内輪（３）および外輪（４）が楕円形に変形する一方、保持器（５）は楕円形に変形しない。このため、保持器（５）の保持面（５１０）に直線段（５１２）を設けることによって、保持部（５２）における転動体（２）の径方向の移動が許容されている。このようにすれば、真円形状の保持器（５）と、楕円軌道上に配列された転動体（２）とが、干渉しにくい。したがって、保持器（５）に対する転動体（２）の摩擦が抑えられ、軸受（Ｅ）の回転抵抗を低減できると考えられる。

ただし、上記公報の軸受（Ｅ）は、複数の転動体（２）と、保持器（５）とが、軸方向に分離することを防止するための構造を有していない。このため、上記公報の軸受（Ｅ）を使用するときには、内輪（３）、外輪（４）、および複数の転動体（２）で構成されるアセンブリから、保持器（５）が軸方向に抜けることを防止するための部品が、別途必要となる。

本発明の目的は、内輪および外輪が楕円形状に変形可能な可撓性軸受において、球体の摩擦を抑えることができ、かつ、内輪、外輪、および複数の球体で構成されるアセンブリから、球体を保持するリテーナが抜けることを防止できる構造を提供することである。

本発明は、可撓性軸受であって、楕円状に変形可能な内輪と、前記内輪よりも径方向外側に位置し、楕円状に変形可能な外輪と、前記内輪と前記外輪との間に位置する複数の球体と、前記内輪と前記外輪との間において、前記複数の球体を保持するリテーナと、を備え、前記リテーナは、円環状のベース部と、周方向に等間隔に配列される複数の仕切部と、を有し、前記仕切部は、前記ベース部から軸方向に延びる壁部と、前記壁部の先端に位置する頭部と、を有し、前記球体は、隣り合う前記壁部の間の空間であるポケットに配置され、前記ポケットは、径方向に直線状に延び、前記頭部は、径方向内側の端部から周方向の両側へ突出する内側突起と、径方向外側の端部から周方向の両側へ突出する外側突起と、を有し、周方向に向かい合う前記内側突起の周方向の間隔、および、周方向に向かい合う前記外側突起の周方向の間隔は、前記球体の直径よりも小さい。

本発明によれば、ポケットにおいて、球体は径方向に移動可能である。このため、真円形状のリテーナと、楕円軌道上に配列された球体とが、干渉しにくい。これにより、球体の摩擦を抑えて、回転抵抗を低減できる。また、楕円軌道上に配列された各球体の一部が、リテーナの内側突起または外側突起と軸方向に重なる。これにより、内輪、外輪、および複数の球体で構成されるアセンブリから、リテーナが軸方向に抜けることを防止できる。

図１は、減速機の縦断面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ位置から見た減速機の横断面図である。 図３は、可撓性軸受の斜視図である。 図４は、可撓性軸受を軸方向に視た平面図である。 図５は、可撓性軸受の一部を、周方向に対して垂直な平面で切断した断面図である。 図６は、リテーナおよび複数の球体の斜視図である。 図７は、リテーナを軸方向に視た平面図である。 図８は、楕円形状に変形した可撓性軸受を、軸方向に視た平面図である。

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、減速機の中心軸と平行な方向を「軸方向」、減速機の中心軸に直交する方向を「径方向」、減速機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」は、略平行な方向も含む。また、上記の「直交する方向」は、略直交する方向も含む。

＜１．減速機の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る可撓性軸受３０を備えた減速機１の縦断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ位置から見た減速機１の横断面図である。なお、図２では、図の煩雑化を避けるため、断面を示すハッチングが省略されている。

この減速機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回転数に変換しつつ後段へ伝達する装置である。減速機１は、例えば、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、減速機１は、アシストスーツ、無人搬送台車などの他の装置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、本実施形態の減速機１は、入力部１０、波動発生器２０、可撓性軸受３０、可撓性外歯歯車４０、および剛性内歯歯車５０を備えている。

入力部１０は、中心軸９を中心とする円柱状または円筒状の部材である。入力部１０を入力用の駆動部とする場合、入力部１０は、中心軸９を中心として、減速前の第１回転数で回転する。これにより、波動発生器２０に、第１回転数の回転運動が伝達される。

波動発生器２０は、可撓性外歯歯車４０の後述する筒状部４１に、周期的な撓み変形を発生させる部材である。本実施形態では、波動発生器２０に楕円カムが用いられている。楕円カムは、軸方向に視たときに楕円形の外周面を有する。波動発生器２０は、入力部１０に固定され、入力部１０とともに、中心軸９を中心として、第１回転数で回転する。ただし、波動発生器２０は、楕円カム以外の構成であってもよい。例えば、楕円カムの長軸の両端に相当する位置に配置された一対のローラにより、波動発生器２０が構成されていてもよい。

可撓性軸受３０は、楕円状に弾性変形可能な軸受である。可撓性軸受３０は、波動発生器２０の外周面と、可撓性外歯歯車４０の後述する筒状部４１の内周面との間に介在する。波動発生器２０と、可撓性外歯歯車４０とは、可撓性軸受３０を介して、互いに回転可能に支持される。すなわち、波動発生器２０と、可撓性外歯歯車４０とは、互いに異なる回転数で回転できる。

可撓性外歯歯車４０は、可撓性を有する円環状の歯車である。可撓性外歯歯車４０は、中心軸９を中心として回転可能に支持される。図１および図２に示すように、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、軸方向に筒状に延びる。筒状部４１の軸方向の先端は、波動発生器２０および可撓性軸受３０の径方向外側、かつ、剛性内歯歯車５０の径方向内側に位置する。筒状部４１は、薄肉状であるため、径方向に弾性変形可能である。また、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の軸方向の先端部付近の外周面において、周方向に一定のピッチで配列されている。各外歯４３は、径方向外側へ向けて突出する。

平板部４２は、ダイヤフラム部４２１と肉厚部４２２とを有する。ダイヤフラム部４２１は、筒状部４１の軸方向の基端部から、径方向外側へ向けて平板状に広がり、かつ、中心軸９を中心として円環状に広がる。ダイヤフラム部４２１は、薄肉状であるため、軸方向に僅かに弾性変形可能である。肉厚部４２２は、ダイヤフラム部４２１の径方向外側に位置する、円環状の部分である。肉厚部４２２の軸方向の厚みは、ダイヤフラム部４２１の軸方向の厚みよりも厚い。肉厚部４２２は、減速機１が搭載される装置の、駆動対象となる部品に、例えばねじ止めで固定される。

剛性内歯歯車５０は、内周面に複数の内歯５１を有する円環状の歯車である。剛性内歯歯車５０は、減速機１が搭載される装置の枠体に、例えばねじ止めで固定される。剛性内歯歯車５０は、中心軸９と同軸に配置される。また、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。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の内周面を有する。複数の内歯５１は、当該内周面において、周方向に一定のピッチで配列されている。各内歯５１は、径方向内側へ向けて突出する。

上述した可撓性軸受３０の内輪３１は、波動発生器２０の外周面に接触する。可撓性軸受３０の外輪３２は、可撓性外歯歯車４０の筒状部４１の内周面に接触する。そして、可撓性軸受３０は、波動発生器２０の外周面に沿った楕円形状に変形する。したがって、可撓性外歯歯車４０の筒状部４１も、波動発生器２０の外周面に沿った楕円形状に変形する。その結果、当該楕円の長軸の両端に相当する２箇所において、可撓性外歯歯車４０の一部の外歯４３が、可撓性軸受３０を介して波動発生器２０に押されることによって、剛性内歯歯車５０の内歯５１と噛み合う。周方向の他の位置においては、外歯４３と内歯５１とが噛み合わない。

モータの駆動により、波動発生器２０が第１回転数で回転すると、可撓性外歯歯車４０の上述した楕円の長軸も、第１回転数で回転する。そうすると、外歯４３と内歯５１との噛み合い位置も、周方向に第１回転数で変化する。また、剛性内歯歯車５０の内歯５１の数と、可撓性外歯歯車４０の外歯４３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２０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、中心軸９を中心として、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。

なお、上記の説明では、剛性内歯歯車５０が固定され、可撓性外歯歯車４０が減速後の第２回転数で回転する場合について説明した。しかしながら、可撓性外歯歯車４０を固定し、剛性内歯歯車５０が、減速後の第２回転数で回転するようにしてもよい。

また、上記の説明では、入力部１０を入力用の駆動部とする場合について説明した。しかしながら、本構造の減速機１を、他の部分を入力用の駆動部として、使用してもよい。例えば、可撓性外歯歯車４０または剛性内歯歯車５０を、入力用の駆動部としてもよい。

＜２．可撓性軸受について＞
続いて、上述した可撓性軸受３０の詳細な構造について、説明する。図３は、可撓性軸受３０の斜視図である。図４は、可撓性軸受３０を軸方向に視た平面図である。図３および図４に示すように、本実施形態の可撓性軸受３０は、内輪３１、外輪３２、複数の球体３３、およびリテーナ３４を備える。

内輪３１および外輪３２は、楕円状に弾性変形可能なリング状の部材である。外輪３２は、内輪３１よりも径が大きく、内輪３１よりも径方向外側に位置する。複数の球体３３は、内輪３１と外輪３２との間に位置する。内輪３１、外輪３２、および複数の球体３３は、いわゆる軸受鋼などの金属により形成される。

図５は、可撓性軸受３０の一部を、周方向に対して垂直な平面で切断した断面図である。図５に示すように、内輪３１の外周面および外輪３２の内周面は、いずれも、凹状の溝３０１を有する。複数の球体３３は、これらの凹状の溝３０１の間に位置し、溝３０１に沿って周方向に転動可能となっている。また、内輪３１と外輪３２の軸方向の端部同士の径方向の間隔ｄ１は、球体３３の直径Ｒよりも小さい。これにより、内輪３１と外輪３２との間からの球体３３が軸方向に脱落することが防止される。

リテーナ３４は、内輪３１と外輪３２との間において、複数の球体３３を、周方向に間隔をあけた状態に保持するための部材である。リテーナ３４は、例えば樹脂により形成される。図６は、リテーナ３４および複数の球体３３の斜視図である。図７は、リテーナ３４を軸方向に視た平面図である。図６および図７に示すように、リテーナ３４は、ベース部６１と、複数の仕切部６２とを有する。

ベース部６１は、中心軸９を中心とする円環状の部分である。仕切部６２は、ベース部６１の軸方向一方側において、隣り合う球体３３の間に介在する部分である。複数の仕切部６２は、周方向に等間隔に設けられる。各仕切部６２は、壁部６２１と頭部６２２とを有する。壁部６２１は、ベース部６１から軸方向一方側へ向けて延びる。頭部６２２は、壁部６２１の軸方向一方側の先端に位置する。

以下では、周方向に隣り合う壁部６２１の間の空間を、ポケット６３と称する。リテーナ３４は、複数のポケット６３を有する。球体３３は、各ポケット６３に１つずつ配置される。

図７中の拡大図において破線で示したように、壁部６２１の周方向の幅は、径方向内側へ向かうにつれて、漸次に縮小する。そして、隣り合う壁部６２１の間に位置するポケット６３は、周方向の幅ｄ２が一定であり、径方向に沿って直線状に延びる。ポケット６３の周方向の幅ｄ２は、球体３３の直径Ｒよりも僅かに大きい。

図７のように、軸方向に視たときに、ポケット６３の周方向の中央において径方向に延びる仮想直線Ｌ１は、リテーナ３４の中心軸９を通る。また、ポケット６３の周方向の両側に位置する壁部６２１の側面６２３は、仮想直線Ｌ１に対して平行に延びる。したがって、図７のように、壁部６２１の側面６２３を径方向内側へ延長した仮想直線Ｌ２は、リテーナ３４の中心軸９を通らない。

図８は、楕円形状に変形した可撓性軸受３０を、軸方向に視た平面図である。図８では、変形前の可撓性軸受３０の内周面および外周面が、二点鎖線で示されている。可撓性軸受３０が減速機１に組み込まれた状態では、図８中の実線のように、可撓性軸受３０の内輪３１および外輪３２が、楕円形状に変形する。これに伴い、複数の球体３３も、内輪３１または外輪３２に沿って、楕円軌道上に配置される。

これに対し、リテーナ３４は、楕円形状に変形せず、中心軸９を中心とする略真円形状を維持する。このため、各球体３３は、リテーナ３４に対して径方向外側または径方向内側へ僅かに変位した状態となる。特に、楕円の長軸および短軸に相当する位置において、リテーナ３４に対する球体３３の径方向の変位量が最大となる。

本実施形態では、上述のように、ポケット６３が、一定の幅で径方向に直線状に延びている。このため、内輪３１および外輪３２が楕円形状に変形したときに、リテーナ３４に対する球体３３の径方向の変位が許容される。したがって、真円形状のリテーナ３４と、楕円軌道上に配列された複数の球体３３との干渉を、抑えることができる。これにより、球体３３の摩擦を抑えて、可撓性軸受３０の回転抵抗を低減できる。

特に、本実施形態では、径方向外側から視たときに、ポケット６３の形状が円弧状である。これにより、球体３３の周方向および軸方向の位置が、安定する。その結果、可撓性軸受３０の騒音および振動を、抑制できる。

また、リテーナ３４の複数の頭部６２２は、それぞれ、一対の内側突起６２４と、一対の外側突起６２５と、を有する。一対の内側突起６２４は、頭部６２２の径方向内側の端部から、周方向の両側へ向けて突出する。一対の外側突起６２５は、頭部６２２の径方向外側の端部から、周方向の両側へ向けて突出する。周方向に隣り合う２つの頭部６２２は、内側突起６２４同士、および外側突起６２５同士が、それぞれ周方向に向かい合う。

図４中の拡大図に示すように、周方向に向かい合う内側突起６２４同士の周方向の間隔ｄ３は、球体３３の直径Ｒよりも小さい。また、周方向に向かい合う外側突起６２５同士の周方向の間隔ｄ４も、球体３３の直径Ｒよりも小さい。ただし、隣り合う頭部６２２の、径方向中央部分同士の周方向の間隔ｄ５は、球体３３の直径Ｒと略同一か、球体３３の直径Ｒよりも僅かに大きい。そして、軸方向に視たときに、頭部６２２の周方向の側面は、内側突起６２４と外側突起６２５との間において、球体３３と略同一径の円弧状となっている。

可撓性軸受３０の製造時には、内輪３１、外輪３２、および複数の球体３３で構成されるアセンブリに、リテーナ３４を取り付ける。その際、無負荷状態の可撓性軸受３０は、図４のように真円状であるため、隣り合う頭部６２２の間を通って、各ポケット６３に球体３３を嵌め込むことができる。これにより、内輪３１、外輪３２、および複数の球体３３で構成されるアセンブリに、リテーナ３４を容易に取り付けることができる。

ただし、製造後の可撓性軸受３０が減速機１組み込まれると、内輪３１および外輪３２は、楕円形状に変形する。これにより、図８中の拡大図のように、各球体３３は、ポケット６３の径方向の中央から、径方向内側または径方向外側へ変位した状態となる。この状態では、内側突起６２４または外側突起６２５と、球体３３の一部分とが、軸方向に重なる。これにより、リテーナ３４に対する球体３３の軸方向の移動が制限される。したがって、ポケット６３からの球体３３の脱落が防止される。その結果、内輪３１、外輪３２、および複数の球体３３で構成されるアセンブリから、リテーナ３４が軸方向に抜けることを防止できる。

＜３．変形例＞
以上、本発明の一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。

例えば、上記の実施形態の可撓性外歯歯車４０では、平板部４２が、筒状部４１の基端部から半径方向外側へ向けて広がっていた。しかしながら、平板部４２は、筒状部４１の基端部から半径方向内側へ向けて広がるものであってもよい。

また、上記の実施形態の可撓性軸受３０は、可撓性外歯歯車４０を有する減速機１に組み込まれるものであった。しかしながら、本発明の可撓性軸受は、他の構造の減速機に組み込まれるものであってもよい。また、本発明の可撓性軸受は、減速機以外の装置に組み込まれるものであってもよい。

その他、可撓性軸受および減速機の細部の構成については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜に変更してもよい。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。

本願は、可撓性軸受および減速機に利用できる。

１ 減速機
９ 中心軸
１０ 入力部
２０ 波動発生器
３０ 可撓性軸受
３１ 内輪
３２ 外輪
３３ 球体
３４ リテーナ
４０ 可撓性外歯歯車
４１ 筒状部
４２ 平板部
４３ 外歯
５０ 剛性内歯歯車
５１ 内歯
６１ ベース部
６２ 仕切部
６３ ポケット
６２１ 壁部
６２２ 頭部
６２３ 側面
６２４ 内側突起
６２５ 外側突起
Ｌ１ 仮想直線
Ｌ２ 仮想直線

Claims (5)

1. 楕円状に変形可能な内輪と、
   前記内輪よりも径方向外側に位置し、楕円状に変形可能な外輪と、
   前記内輪と前記外輪との間に位置する複数の球体と、
   前記内輪と前記外輪との間において、前記複数の球体を保持するリテーナと、
   を備え、
   前記リテーナは、
   円環状のベース部と、
   周方向に等間隔に配列される複数の仕切部と、
   を有し、
   前記仕切部は、
   前記ベース部から軸方向に延びる壁部と、
   前記壁部の先端に位置する頭部と、
   を有し、
   前記球体は、隣り合う前記壁部の間の空間であるポケットに配置され、
   前記ポケットは、径方向に直線状に延び、
   前記頭部は、
   径方向内側の端部から周方向の両側へ突出する内側突起と、
   径方向外側の端部から周方向の両側へ突出する外側突起と、
   を有し、
   周方向に向かい合う前記内側突起の周方向の間隔、および、周方向に向かい合う前記外側突起の周方向の間隔は、前記球体の直径よりも小さい、可撓性軸受。
2. 請求項１に記載の可撓性軸受であって、
   前記壁部の周方向の幅は、径方向内側へ向かうにつれて縮小し、
   軸方向に視たときに、
   前記ポケットの周方向の中央において径方向に延びる仮想直線は、前記リテーナの中心軸を通り、
   前記ポケットの周方向の両側に位置する前記壁部の側面は、仮想直線に対して平行に延びる、可撓性軸受。
3. 請求項１または請求項２に記載の可撓性軸受であって、
   径方向に視たときに、前記ポケットの形状が円弧状である、可撓性軸受。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の可撓性軸受であって、
   軸方向に視たときに、
   前記頭部の側面は、前記内側突起と前記外側突起との間で、円弧状に延びる、可撓性軸受。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の可撓性軸受を備えた減速機であって、
   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、
   前記波動発生器と前記筒状部との間に、前記可撓性軸受が介在し、
   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、前記可撓性軸受を介して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する、減速機。

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