JP3611052B2 - シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置 - Google Patents
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【産業上の利用分野】
本発明はシルクハット形状の可撓性外歯歯車が組み込まれたシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、シルクハット形状の可撓性外歯歯車の応力集中を緩和して外径寸法を小さくできるようにしたシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
撓み噛み合い式歯車装置としては、その可撓性外歯歯車がシルクハット形状をした形式のものが知られている。本明細書では、この形式の装置をシルクハット型撓み噛み合い式歯車と呼ぶものとする。図6には、シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置の可撓性外歯歯車を、その装置軸線を含む平面で切断した縦断面図を示してある。この図に示すように、可撓性外歯歯車1は、円筒状の胴部2と、この基端側開口端に連続した内周端部を備えた環状のダイヤフラム部3と、このダイヤフラム部3の外周端部に連続している環状の厚肉のボス部5を備えている。胴部4の先端側開口端の外周部分には周方向に向けて外歯4が一体成形されている。
【0003】
この形式の装置は、装置軸線1aに沿って回転部材等を貫通させた状態に配置する場合等に都合がよい。すなわち、可撓性外歯歯車のダイヤフラム部3が胴部2の端から半径方向の外側に広がっているので、胴部3の内側空間を貫通させて回転部材等を配置できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、近年においては、ロボット等の小型化の要求から、それらに組み込まれる減速機等の機構の小型化にたいする要求が益々高まっている。この要求に応えるために、シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置においてもその軸長を短くすることが考えられる。そのためには、シルクハット形状の可撓性外歯歯車の軸長を短くする必要がある。この外歯歯車の軸長と、その外歯のピッチ円直径との比率は、従来において一般的に使用されている外歯歯車では約1:1である。これ以上に軸長を短くすると、それに伴って外歯歯車のコーニング角も増加してしまう。
【0005】
すなわち、図5に示すように、可撓性外歯歯車1のコーニング角θが増加する。この結果、ダイヤフラム部3の内端部分3a、その外端部分3b等に過剰か応力集中が発生する場合がある。また、外歯と内歯の適正な噛み合い状態を保持できなくなるおそれもある。このために、従来において使用されている可撓性外歯歯車の軸長を単に短くするのみでは実用に適さない。
【0006】
本発明の課題は、この点に鑑みて、軸長の短いシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置を実現することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、本発明は、環状の剛性内歯歯車と、この内側の可撓性の外歯歯車と、この内側に配置されて当該外歯歯車を半径方向に撓めて前記剛性内歯歯車と部分的に噛み合わせると共に、これらの噛み合わせ位置を円周方向に回転させる波動発生器とを有し、前記外歯歯車は、一方の開口端側の外周面に外歯が形成された筒状の胴部と、この胴部の他方の開口端に対して内周端部が連続している環状のダイヤフラム部と、このダイヤフラム部の外周端部に連続して形成されている環状のボス部とを有するシルクハット形状をしているシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置において、可撓性外歯歯車の断面形状を次のように設定している。
【0008】
すなわち、前記胴部のダイヤフラム部の側の端には、当該ダイヤフラム部の内周端部に連続させるために装置軸線方向とは直交する方向に湾曲している湾曲部分が形成されているが、当該湾曲部分の開始位置に隣接した胴部の部位を、隣接する部分よりも肉厚の薄い薄肉部分とするようにしている。
【0009】
この薄肉部分の厚さは、隣接する胴部の厚さの約0.8倍に設定することが望ましい。また、前記胴部の長さは、前記外歯歯車の外歯のピッチ円直径の約0.2から約0.7倍の範囲内に設定し、前記外歯の歯筋方向の長さは、当該外歯のピッチ円直径の約0.1から約0.3倍の範囲内に設定することが好ましい。
【0010】
さらに、外歯歯車のダイヤフラム部の装置軸線を含む平面で切断した場合の断面形状は、その内周端部の厚さをt(A)、その外周端部の厚さをt(C)、内周端部と外周端部のほぼ中央の部分の厚さをt(B)とすると、t(A)を最大厚さ、t(B)を最小厚さに設定すると共に、t(A)>t(C)>t(B)となるように設定することが好ましい。この場合、ダイヤフラム部の内周端から外周端に向けての応力分布の変化を滑らかにするために、外歯歯車のダイヤフラム部の前記断面形状を、少なくとも一方の表面輪郭形状が複数の曲線によって規定して滑らかに肉厚を変化させるようにすることが好ましい。
【0011】
本発明者等の検討によれば、内周端部の厚さt(A)と前記中央の部分の厚さt(B)の関係は、t(A)/t(B)が約1.5から約2.2の範囲内の値となるようにすることが好ましい。また、外周端部の厚さt(C)と前記中央の部分の厚さt(B)の関係は、t(C)/t(B)が約1.4から約2.0の範囲内となるように設定することが好ましい。
【0012】
【作用】
シルクハット型可撓性外歯歯車の胴部におけるダイヤフラム部側の部分には薄肉部分が形成されている。この位置に薄肉部分を形成することにより、ダイヤフラム部の内周端部、外周端部での応力集中が緩和され、全体としてなだらかな応力分布が得られる。この結果、従来よりも短い可撓性外歯歯車を使用することが可能になる。
【0013】
また、胴部の長さを、外歯歯車の外歯のピッチ円直径の約0.2から約0.7倍の範囲内に設定し、外歯の歯筋方向の長さを、当該外歯のピッチ円直径の約0.1から約0.3倍の範囲内に設定することにより、コーニング角が増加しても外歯と内歯の適正な噛み合い状態が保持される。
【0014】
さらには、ダイヤフラム部の断面形状を上記のように設定することにより、より一層、その内端部外周端部の応力集中を緩和できると共に、応力分布もより一層なだらかにすることができる。
【0015】
【実施例】
以下に、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【0016】
図1および図2には、本例のシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置の全体構成を示してある。この図において、装置11は、環状の剛性内歯歯車12と、この内側に配置されたシルクハット形状の可撓性外歯歯車13と、この内側にはめ込まれた楕円状の波動発生器14から構成されている。可撓性外歯歯車13は、円筒形の胴部22と、その基端開口に連続した内周端部23aを備えた環状のダイヤフラム部23と、このダイヤフラム部23の外周端部23bに連続して一体形成された厚肉の環状ボス部25を備えている。胴部22の先端側開口端の外周部分には周方向に向けて外歯24が一体形成されている。環状のボス部25は、他の部材(図示せず)への取付けのためのものであり、このボス部25によって胴部22およびダイヤフラム部23は片持ち状態で支持される。
【0017】
一方、波動発生器14は、中空ハブ14aと、その外周に嵌めた楕円形の剛性カム板14bと、この外周に嵌めたボールベアリング14cから構成されている。波動発生器14によって、可撓性外歯歯車の外歯24が形成されている胴部22の部分が楕円形に撓められ、楕円形の長軸両端に位置する2箇所の外歯部分が剛性内歯歯車12の内歯12aに噛み合わされる。この状態で波動発生器14が装置軸線11aを中心として回転すると、これらの噛み合い位置が円周方向に回転する。この回転によって、外歯と内歯の歯数差に応じて、これらの可撓性外歯歯車13と剛性内歯歯車12の間には相対回転が発生する。したがって、例えば、剛性内歯歯車12を固定し、波動発生器14を高速回転入力要素とすれば、外歯歯車13は減速回転出力要素となり、ここから減速された回転出力が得られることになる。
【0018】
図3は、上記のシルクハット形の可撓性外歯歯車13の装置軸線11aを含む平面で切断した縦断面を示す図である。また、図4には、可撓性外歯歯車13のダイヤフムラ部を拡大して示してある。各部分の断面形状は、装置軸線11aを含む平面で切断して見た場合に次のようになっている。まず、外歯歯車13の胴部22の内周面は、その先端側開口端22aから装置軸線11aに平行な直線22bによって規定されている。この直線22bの基端側の点22cは、この直線22bに滑らかに連続する円弧22dに繋がっている。円弧22dの他端側はA点において、ダイヤフラム部23の裏面を規定している装置軸線11aに直交する直線231に滑らかに連続している。この直線231の他端である外周側の端はC点において、ボス部25の裏面側に連続している円弧25aに滑らかに連続している。円弧25aの他端は、装置軸線11aに直交する直線25bに繋がっている。
【0019】
これに対して、外歯歯車13の胴部22の外周面は、基本的には、内周面側の直線22bに平行な直線22eによって規定されている。胴部22の先端側の外周部分には前述したように外歯24が一体成形されている。この直線22eの端は、中心がO1点の凸円弧22fに滑らかに連続している。この円弧22fは、中心がO2の凹円弧22gに滑らかに連続している。さらに、この凹円弧22gは、これよりも曲率の小さな中心がO3である凹円弧22hに滑らかに連続している。この凹円弧22hは、曲率の大きな中心がO4である凹円弧22iに滑らかに連続している。このように、胴部22の基端側の部分は、円弧22gによって、直線22b、22eにより規定される胴部22の厚さt(22)よりも薄い薄肉部分が形成されている。
【0020】
円弧22iは、ダイヤフラム部23の表面側を規定している中心がO5の円弧233に滑らかに連続している。この円弧233は、ダイヤフラム部23のほぼ中心位置、すなわちA点とC点の中央の位置であるB点において、これよりも曲率が僅かに大きな中心がO6の円弧234に滑らかに連続している。円弧234の他端は、ボス部25の表面を規定している装置軸線11aに直交する直線25cに滑らかに連続している。このように、ダイヤフラム部23は、裏面側が直線231で規定され、表面側が2つの円弧233、234により規定されている。
【0021】
2つの円弧233、234はダイヤフラム部23の中央であるB点で連続している。したがって、これらの直線、円弧により規定されるダイヤフラム部23の厚さは、その中央位置であるB点での厚さt(B)が最小厚さとなる。また、ダイヤフラム部23の内周端部であるA点での厚さt(A)が最大厚さとなる。さらには、ダイヤフラム部23の外周端部であるC点での厚さt(C)は、厚さt(A)よりも僅かに薄い厚さとなる。
【0022】
このように、本例の胴部22では、直線22eと直線22bによって胴部22の本体部分の断面形状が規定される。また、これに連続する部分には、凹円弧22gと直線22bとによって薄肉部分221が規定される。さらに、この薄肉部分221に隣接する部分は、凹円弧22iと凸円弧22dによってダイヤフラム部の内周端側に接続している湾曲部分222が規定される。
【0023】
本例の撓み噛み合い式歯車装置11においては、胴部22に薄肉部分221が形成されているので、その動作時にダイヤフラム部23に発生する応力の分布は、従来に比べてなだらかで均一化される。また、その内周端部、外周端部での応力集中も充分に緩和される。さらには、ダイヤフラム部23が上記のように断面形状が設定されているので、より一層、その内端部外周端部の応力集中を緩和できると共に、応力分布もより一層なだらかにすることができる。したがって、従来に比べて、ダイヤフラム部23の外径寸法を小さくできる。すなわち、図3における装置外径寸法Dを小さくすることができる。また、ダイヤフラム部23に発生する応力を低減できるので、胴部22の長さL(22)を短くすることができる。
【0024】
本例では、胴部22の外周面側に薄肉部分を形成してあるが、この代わりに胴部22の内周面側にこのような薄肉部分を形成してもよい。あるいは、この部分を、外周面および内周面の双方において凹曲線により規定して、薄肉部分としてもよい。
【0025】
ここで、本発明者等の実験等によれば、胴部22の薄肉部分221の厚さt(221)は、胴部22の厚さt(22)の約80%に設定することが望ましいことが確認された。
【0026】
一方、本発明者等の実験によれば、A点およびC点の厚さは、最小厚さt(B)に対して次の範囲内に設定すると、ダイヤフラム部23の内周端部から外周端部にかけての応力部分がなだらかになり、内周端部および外周端部での応力集中が緩和されることが確認された。
【0027】
1.5 < t(A)/t(B) < 2.2
1.4 < t(C)/t(B) < 2.0
なお、本例では、ダイヤフラム部23の厚さを規定するために、2つの円弧233、234を用いている。しかし、3つ以上の円弧を用いて、ダイヤフラム部23の厚さを規定してもよい。また、ダイヤフラム部23の裏面側は直線231によって規定しているが、この代わりに曲線を用いて、表面側を直線より規定するようにしてもよい。さらには、ダイヤフラム部23の両面を曲線により規定して、上述した条件を満たす断面形状に設定してもよい。
【0028】
次に、シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置11における可撓外歯歯車13のコーニングについて考察する。可撓性外歯歯車13は、その内側にはめ込まれた波動発生器14によって繰り返し楕円形に撓まされる。この変形現象、すなわちコーニングにより波動発生器14のベアリング14cに作用するコーニング力を小さくするためには、外歯24の歯筋方向の長さ(歯部長さ)L(24)を短くすることが好ましい。歯部長さL(24)を短くすれば、それに応じて胴部22の軸長さL(22)も短くすることができる。すなわち、軸長の短い撓み噛み合い式歯車装置を実現できる。しかるに、軸長を短くすると、図5に示すように、可撓性外歯歯車13のコーニング角θが増加する。この結果、ダイヤフラム23の発生応力も増加してしまう。
【0029】
しかしながら、前述した本例の装置11におけるように、可撓性外歯歯車13の各部分の肉厚さを設定することにより、その軸長さを短くしても、過剰な応力集中が発生せず、また発生応力の分布もなだらかにできることが確認された。
【0030】
ここで、本発明者等の実験等によれば、可撓性外歯歯車13の胴部22の長さL(22)を、外歯の開口径すなわち外歯のピッチ円直径D(p)の約20から約70%の範囲内の寸法に設定することが望ましいことが確認された。また、外歯の歯筋方向の長さL(24)は実用上、ピッチ円直径D(p)の約10から約30%の範囲内の長さにすることが望ましいことが確認された。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置においては、そのシルクハット形状の可撓性外歯歯車における胴部のダイヤフラム部の側の端には、当該ダイヤフラム部の内周端部に連続させるために装置軸線方向とは直交する方向に湾曲している湾曲部分が形成されており、当該湾曲部分の開始位置に隣接した胴部の部位に、隣接する部分よりも肉厚の薄い薄肉部分を形成してある。この位置に薄肉部分を形成することにより、ダイヤフラム部の内周端部、外周端部での応力集中が緩和され、全体としてなだらかな応力分布が得られる。この結果、従来よりも短い可撓性外歯歯車を使用することが可能になる。
【0032】
また、胴部の長さは、前記外歯歯車の外歯のピッチ円直径の約0.2から約0.7倍の範囲内に設定し、前記外歯の歯筋方向の長さは、当該外歯のピッチ円直径の約0.1から約0.3倍の範囲内に設定している。このようにすることにより、可撓性外歯歯車のコーニング角が増加しても外歯と内歯の適正な噛み合い状態を保持することができる。
【0033】
さらには、さらに、外歯歯車のダイヤフラム部の装置軸線を含む平面で切断した場合の断面形状は、その内周端部の厚さをt(A)、その外周端部の厚さをt(C)、内周端部と外周端部のほぼ中央の部分の厚さをt(B)とすると、t(A)を最大厚さ、t(B)を最小厚さに設定すると共に、t(A)>t(C)>t(B)となるように設定している。この構成を採用すれば、より一層、その内端部外周端部の応力集中を緩和できると共に、応力分布もより一層なだらかにすることができる。
【0034】
このように、本発明によれば、軸長が短く、しかも外径寸法が小さなシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であるシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置の概略縦断面図である。
【図2】図1の装置を矢印の方向から見た概略正面図である。
【図3】図1の装置のシルクハット形状の可撓性外歯歯車を示す縦断面図である。
【図4】図3の外歯歯車のダイヤフラム部を拡大して示す部分拡大断面図である。
【図5】可撓性外歯車の軸長を短くすることによるコーニング角の増加を示す説明図である。
【図6】従来のシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置の問題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
11・・・シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置
11a・・装置軸線
12・・・剛性内歯歯車
13・・・シルクハット形状の可撓性外歯歯車
14・・・波動発生器
22・・・胴部
23・・・ダイヤフラム部
24・・・外歯
25・・・ボス部
221・・・胴部の薄肉部分
222・・・胴部の湾曲部分
A・・・ダイヤフラム部の内周端部
B・・・ダイヤフラム部の中央部分
C・・・ダイヤフラム部の外周端部
t(A)・・・内周端部の厚さ
t(B)・・・中央部分の厚さ
t(C)・・・外周端部の厚さ
t(22)・・・胴部の厚さ
t(221)・・・薄肉部分の厚さ
Claims (7)
- 環状の剛性内歯歯車と、この内側の可撓性の外歯歯車と、この内側に配置されて当該外歯歯車を半径方向に撓めて前記剛性内歯歯車と部分的に噛み合わせると共に、これらの噛み合わせ位置を円周方向に回転させる波動発生器とを有し、
前記外歯歯車は、一方の開口端側の外周面に外歯が形成された筒状の胴部と、この胴部の他方の開口端に対して内周端部が連続している環状のダイヤフラム部と、このダイヤフラム部の外周端部に連続して形成されている環状のボス部とを有し、
前記胴部のダイヤフラム部の側の端には、当該ダイヤフラム部の内周端部に連続させるために装置軸線方向とは直交する方向に湾曲している湾曲部分が形成されており、当該湾曲部分の開始位置に隣接した胴部の部位には、隣接する部分よりも肉厚の薄い薄肉部分が形成されており、
前記胴部の長さは、前記外歯歯車の外歯のピッチ円直径の約0.2から約0.7倍の範囲内に設定されており、
前記外歯の歯筋方向の長さは、当該外歯のピッチ円直径の約0.1から約0.3倍の範囲内に設定されていることを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。 - 請求項1において、
前記薄肉部分の厚さは、隣接する胴部の厚さの約0.8倍に設定されていることを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。 - 請求項1または2において、
前記外歯歯車の前記ダイヤフラム部の装置軸線を含む平面で切断した場合の断面形状は、その内周端部の厚さをt(A)、その外周端部の厚さをt(C)、内周端部と外周端部のほぼ中央の部分の厚さをt(B)とすると、t(A)を最大厚さ、t(B)を最小厚さに設定すると共に、t(A)>t(C)>t(B)となるように設定したことを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。 - 環状の剛性内歯歯車と、この内側の可撓性の外歯歯車と、この内側に配置されて当該外歯歯車を半径方向に撓めて前記剛性内歯歯車と部分的に噛み合わせると共に、これらの噛み合わせ位置を円周方向に回転させる波動発生器とを有し、
前記外歯歯車は、一方の開口端側の外周面に外歯が形成された筒状の胴部と、この胴部の他方の開口端に対して内周端部が連続している環状のダイヤフラム部と、このダイヤフラム部の外周端部に連続して形成されている環状のボス部とを有し、
前記胴部のダイヤフラム部の側の端には、当該ダイヤフラム部の内周端部に連続させるために装置軸線方向とは直交する方向に湾曲している湾曲部分が形成されており、当該湾曲部分の開始位置に隣接した胴部の部位には、隣接する部分よりも肉厚の薄い薄肉部分が形成されており、
前記外歯歯車の前記ダイヤフラム部の装置軸線を含む平面で切断した場合の断面形状は、その内周端部の厚さをt(A)、その外周端部の厚さをt(C)、内周端部と外周端部のほぼ中央の部分の厚さをt(B)とすると、t(A)を最大厚さ、t(B)を最小厚さに設定すると共に、t(A)>t(C)>t(B)となるように設定したことを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。 - 請求項4において、
前記外歯歯車のダイヤフラム部の前記断面形状は、少なくとも一方の表面輪郭形状が複数の曲線によって規定されて、その肉厚さが前記中央の部分から内周端部および外周端部に向けて滑らかに増加するように設定されていることを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。 - 請求項4または5において、前記内周端部の厚さt(A)と前記中央の部分の厚さt(B)の関係は、t(A)/t(B)が約1.5から約2.2の範囲内となるように設定されていることを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。
- 請求項4、5または6において、前記外周端部の厚さt(C)と前記中央の部分の厚さt(B)の関係は、t(C)/t(B)が約1.4から約2.0の範囲内となるように設定されていることを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。
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