JP4057319B2 - 永久磁石を用いた調和歯車装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フレクスプラインとサーキュラ・スプラインを有し、永久磁石を用いてフレクスプラインを弾性変形させ、大きな減速比を得る調和歯車装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
調和歯車装置（波動歯車装置とも言う）は、大きな減速比と高トルクが得られることで知られている。市販されている従来の調和歯車装置は、歯数のわずかに異なる２つの歯車であるサーキュラ・スプラインおよびフレクスプラインと、ウェーブ・ジェネレータから構成されている。サーキュラ・スプラインは剛性を有し、円形のリングの内側にフレクスプラインと同じピッチで、フレクスプラインとはわずかに異なる（例えば、２枚多い）の歯を有している。フレクスプラインは薄肉、カップ状の金属弾性体の外周に歯を有し、ウェーブ・ジェネレータによって、内側から楕円に撓められて（弾性変形されて）、長径方向の２点でサーキュラ・スプラインと噛み合う。ウェーブ・ジェネレータは、楕円状のカムを内輪とし、弾性変形する外輪との間に多数のボールベアリングが配列されていて、内輪の回転に従ってボールベアリングを介して外輪を機械的に楕円に弾性変形させる。
【０００３】
ここで、例えば、サーキュラ・スプラインを固定してウェーブ・ジェネレータを時計方向に１回転させると、フレクスプラインは歯数差（２枚）分反時計方向に移動する。よって、ウェーブ・ジェネレータをモータ等で回転させれば、フレクスプラインの軸から大きく減速された回転出力が得られる。
【０００４】
しかし、上記の機械的に作用するウェーブ・ジェネレータは高精度の加工技術を必要とし、複雑、高価であるうえに、応答特性が悪く、ボールベアリングが寿命を決めていたため、このウェーブ・ジェネレータに代えて永久磁石の吸引力と反発力を用いてフレクスプラインを撓ませるようにした調和歯車装置が、特許公報第２６６７２０９号に開示されている。
【０００５】
図７にその調和歯車装置の構成例を示す。この調和歯車装置は、フレクスプライン１０２の弾性を維持するように、何らかの方法で第１の永久磁石片１０３をフレクスプライン１０２の内側に固着し、この第１の永久磁石群１０３に対向させ、間隙を設けて、第２の永久磁石群１０４を固定した回転子１０５を配置する。ここで、第１の永久磁石群１０３を構成する永久磁石片はＮ極とＳ極が内周面上の周回方向に交互に現れるように配列されるとともに、第２の永久磁石群１０４を構成する永久磁石片もＮ極とＳ極が外周面上の周回方向に交互に現れるように配列され、第１の永久磁石群１０３の磁極数は２ｎ±４（ｎは２以上の正の整数）に、第２の永久磁石群１０４の磁極数は２ｎに設定されている。図７の例では、第１の永久磁石群１０３の磁極数は８（２ｎ＋４においてｎ＝２）に、第２の永久磁石群１０４の磁極数は４（２ｎにおいてｎ＝２）に設定されている。
【０００６】
この調和歯車装置では、回転子１０５の１回転に対する楕円形状の回転数Ｔがｎとなるため、機械的に作用するウエーブ・ジェネレータでは得られない小さい減速比が得られるとしている。
【０００７】
一方、第１の永久磁石群１０３に加撓性を持たせる技術としては、特願昭６１−２３１８６３号公報に開示されたプラスチック磁石の例があげられる。この例では、希土類コバルト磁石材料を有機バインダで結合してプラスチック磁石片を構成し、フレクスプラインに第２の永久磁石片を固定した場合に加撓性が低くならないように試みている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の永久磁石を用いた調和歯車装置では、以下のような問題点があった。
【０００９】
１）上述のように、回転子が１回転する間にフレクスプラインの楕円形状がｎ回転するため、その減速比は機械的に作用するウエーブ・ジェネレータを用いた市販の調和歯車装置のｎ倍に小さくなってしまい、調和歯車装置の特徴である高減速比が得られないという問題がある。
【００１０】
２）図７の調和歯車装置では、ｎ＝１、すなわち第１の永久磁石群の磁極数が６で、回転子の磁極数が２であるようなものが作成できない（楕円軌跡ができない）という問題がある。
【００１１】
３）図８に示すように、回転子の一つの第２の永久磁石片がフレクスプライン側の異なる磁極を有する第１の永久磁石片同士の境界（Ａ部）を通過する際、片方には吸引力Ｆ20が働き、他方には反発力Ｆ10が働いて、磁力がキャンセルされ、歯車の圧着力が一瞬ではあるが無くなってしまうという問題がある。
【００１２】
４）弾性変形させるため、第１の永久磁石片にプラスチック磁石片を用いたとしても、長期間の使用にはクラックが入る（特に、図８のＡ部には入り易い）という問題があるとともに、高エネルギー積のネオジウム等の希土類コバルト磁石は焼結品であり、素材は変形しないので、必要十分な弾性変形は得られないという問題がある。このため、サーキュラ・スプライン歯車へのフレクスプライン歯車の圧着力が不十分となり、十分な伝達トルクが得られないという問題がある。
【００１３】
５）フレクスプラインは原理的に撓むものであるため、フレクスプラインに第１の永久磁石片を接着して固定する場合には、第１の永久磁石片がプラスチック磁石片であろうとも、楕円変形によって剥がれて脱落し、信頼性を低める問題がある。
【００１４】
そこで、本発明は、高い減速比を得ることができ、硬く変形しない剛性を有する高エネルギー積の永久磁石を用いても、長期間、安定で、かつ自由にフレクスプラインを弾性変形させることができる、永久磁石を用いた調和歯車装置を実現することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明による永久磁石を用いた調和歯車装置は、内歯を持つサーキュラ・スプラインと、該サーキュラ・スプラインとは異なる歯数の外歯を開口部付近の外周に持つ加撓性のあるカップ状のフレクスプラインとを有する調和歯車装置において、前記フレクスプラインの外歯に対向する内側に、棒状の第１の永久磁石片を同一磁極が周回方向に並行して配列されるように弾性を有する樹脂に収納したマグネットリングを取り付け、前記マグネットリングの内側に、該マグネットリングの第１の永久磁石片に対向する第２の永久磁石が該マグネットリングを磁力によって楕円に撓ませるように配置されて前記フレクスプラインの歯の一部を該サーキュラ・スプラインに噛み合わせながらこの撓みを回転させる回転子を設けたことを特徴とする。
【００１６】
あるいは、前記マグネットリングの樹脂の内周と外周の一方又は両方の軸方向に撓み変形を容易にするための溝を設けたことを特徴とする。
【００１７】
あるいは、前記マグネットリングを、軸方向のみの動きを、または軸方向と周回方向の動きを規制するストッパに係止させてフレクスプラインに取り付けたことを特徴とする。
【００１８】
あるいは、互いに極性を逆にした２つの前記マグネットリングと前記回転子とを、フレクスプラインの楕円変形が同一になるように軸方向に並べた配置としたことを特徴とする。
【００１９】
本発明では、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列して、回転子の回転と回転子の第２の永久磁石群で吸引、反発する箇所を同期させることにより、回転子の１回転が回転子の第２の永久磁石群で吸引、反発で生じる楕円軌跡の１回転となるようにして調和歯車装置本来の高減速比を得る。
【００２０】
また、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列し、どの箇所においても回転子の第２の永久磁石群で吸引、反発させることにより、回転子の磁極数は楕円に撓ませるために偶数とするにしても、第１の永久磁石群の磁極数を任意の数にできるようにする。
【００２１】
また、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列することにより、異なる磁極の境界部を無くし、その部分で歯車の圧着力が無くなるような不連続状態を防止する。
【００２２】
また、柔らかく加撓性のある樹脂で第２の永久磁石群全体をリング状に形成することにより、第２の永久磁石群を自由に変形できるようにするとともに、フレクスプラインに接着等で固定しなくてもよくし、かつ脱落の危険性もなくし、長期間、安定で、高い信頼性を得る。
【００２３】
また、上記のように柔らかく加撓性のある樹脂で第２の永久磁石群全体をリング状に形成して、自由に変形できるようにすることにより、高い歯車同士の圧着力が得られるようにして、高伝達トルクを得る。
【００２４】
また、上記のように第２の永久磁石群を柔らかい樹脂に収納することにより、第２の永久磁石片がフレクスプライン上に直接触れないようにし、樹脂を緩衝材として騒音を少なくする。
【００２５】
さらに、互いに極性を逆にした２つの前記マグネットリングと前記回転子とを、フレクスプラインの楕円変形が同一になるように軸方向に並べた配置とすることにより、磁気抵抗の小さい磁路を形成し、第１、第２の永久磁石間の吸引、反発力を増やし、サーキュラ・スプラインとフレクスプラインの歯車同士の圧着力を高めて信頼性を向上させる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態例を示す調和歯車装置の構成を示す断面図である。この調和歯車装置は、剛性を有し内歯を有する円形のサーキュラ・スプライン１と、カップ状で弾性変形する開口部付近の外周に外歯を有するフレクスプライン２と、このフレクスプライン２の外歯に対向する内側に取り付けた同一磁極配列の第１の永久磁石群を柔らかい弾性を有する樹脂に収納したマグネットリング３と、マグネットリング３を永久磁石の磁力で楕円に撓ませるための回転子４とから成る。
【００２８】
ここで、サーキュラ・スプライン１を固定して回転子４を回転させればフレクスプライン２から減速された回転出力が得られる。また、フレクスプライン２を固定して回転子４を回転することも可能であり、この場合にはサーキュラ・スプライン１から減速された回転出力が得られる。
【００２９】
図２は、マグネットリング３の一構成例を示す図である。マグネットリング３は、柔らかく、加撓性のある、シリコンや６ナイロン等の樹脂３ｂで作成したリングに第１の永久磁石片であるマグネット片３ａの複数個を回転子４に対向する周面が同一磁極（図例ではＳ極）になるように、かつ脱落しないように収納する。もちろん、一体成形して、両端面を閉じるようにしても良い。マグネット片３ａの形状としては、棒状であれば、その断面は方形状や円弧状など任意である。マグネット片３ａの数は、同一磁極配列であるため、どの箇所においても回転子４の第２の永久磁石の磁力で変形するので、回転子４の磁極数にかかわらず任意である。したがって、従来例の場合のｎ＝１を実現できることはもちろんであり、マグネットリング３の加撓性を増すためには、マグネット片３ａはできるだけ細く、数が多いほど良い。
【００３０】
マグネットリング３をフレクスプライン２に取り付ける場合は、例えばフレクスプライン２の内側に複数の突起状のストッパ２ａを設け、マグネットリング３側には孔３ｃを開けておいて、このストッパ２ａに孔３ｃを係止させることにより、軸方向と周回方向に動きが規制されるようにする。このようにマグネットリング３を取り付ければ、接着等の必要はなく、ストッパ２ａに係止させるだけでよいので、極めて取り付けが容易になるとともに、接着等の剥がれを心配する必要も無くなる。なお、マグネットリング３が、たとえ周回方向に動いても常に同じ磁極になるので、摩耗が小さいか無視できれば、軸方向のみの動きを規制すればよい。
【００３１】
図３は、マグネットリング３の別の構成例を示す図である。この例では、マグネットリング３の加撓性を増すために、マグネットリング３の外周側のマグネット片３ａ間の樹脂部分に溝３ｄを入れて構成している。この溝３ｄは、マグネットリング３の内周側に入れてもよいし、外周側と内周側の両方に入れても良い。外周側の溝３ｄを利用すると、ストッパ２ａをこの溝３ｄに嵌まり込むような形状にすることができる。これにより、周回方向に動くのを規制することができる。軸方向への動きを規制するには、その両端にあたるフレクスプライン２の内側にリング幅間隔の突起を立てればよい。
【００３２】
図４は、回転子４の構成例を示す図である。図４では、Ｎ極とＳ極を交互に９０゜間隔で配置した例を示している。この回転子４をマグネットリング３の内側に回転可能に配置すると、回転子４のＮ極ではマグネットリング３の単一のＳ極に対し吸引力が働き、回転子４のＮ極ではマグネットリング３の単一のＳ極に対し吸引力が働くので、マグネットリング３は直角の一方向では膨らみ、その他方では狭まって、全体として楕円に撓むこととなる。この回転子４が一回転すると、対向するマグネットリング２の楕円の軌跡も同期して一回転する。
【００３３】
なお、回転子は２極構成とすることも可能であり、その場合の２極は、Ｓ極とＳ極を、あるいはＮ極とＮ極を中心から対称な位置に配置して、反発力のみ、あるいは吸引力のみを利用して、マグネットリングを楕円に撓ませる。
【００３４】
図５は、本調和歯車装置をモータと一体化した場合の構成例を示す図であり、（ａ）は側面図を、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′から見た図を示す。
【００３５】
モータハウジングは、円筒状部１１ａと蓋部１１ｂからなる。この円筒状部１１ａの端面の軸受１２ａと、蓋部１１ｂの軸受１２ｂにより出力軸１３が支持される。
【００３６】
カップ状のフレクスプライン２は、その撓みの支点側がモータハウジングの円筒状部１１ａ内においてモータ軸１３のフランジ１３ａに固定されている。フレクスプライン２のカップ状の開口部内側には、撓み発生用のマグネットリング３が図１で示したような複数の突起状のストッパに係止され軸方向と周回方向に規制されて取り付けられている。このマグネットリング３の外側のフレクスプライン２の外周には、所定幅のフレクスプラインの歯がきざまれており、これに対向するモータハウジングの円筒状部１１ａ内周にはサーキュラ・スプライン１が固定されている。
【００３７】
一方、マグネットリング３の内側にはフレクスプライン２を楕円に撓ませて、この楕円の撓みを回転させるための回転子を兼ねるロータ１４が回転軸１３に対して２つの軸受１５ａ，１５ｂで回転自在に取り付けられている。ロータ１４の略半部には４個の第２の永久磁石１４ａが磁極を交互にしてマグネットリング３の内側に配置され、回転子を構成している。ロータ１４の残りの半部にはロータマグネット１４ｂが固定され、円筒状部１１ａの内周に固定されて配置されたステータ１６が発生する回転磁界により回転されるモータを構成している。
【００３８】
このような構成の調和歯車装置付モータにおいて、ロータ１４がモータで回転されると、フレクスプライン２の内側に配置されたロータ１４の第２の永久磁石１４ａが回転し、マグネットリング３は楕円に変形され、その楕円の軌跡がロータ１４の回転に同期して回転する。これにより、フレクスプライン２も楕円に撓んで、楕円の長径方向でフレクスプライン２の外歯がサーキュラ・スプライン１の内歯と噛み合い、ロータ１４が１回転すると歯数差分だけフレクスプライン２が逆方向に移動し、出力軸１３から減速した回転出力が得られる。
【００３９】
図６は、本発明の他の実施形態例を示す構成図である。同一磁極配列の磁極が異なっている２つのマグネットリング３−１，３−２をフレクスプライン２の内側に軸方向に並列に取り付け、磁極の配列の位相が異なる２つの回転子４−１，４−２を、楕円変形が同一の位相になるように各マグネットリング３−１，３−２の内側に並列に配置する。ここで、回転子４−１，４−２のベースを一体化したヨーク４ａで構成するとともに、サーキュラ・スプライン１を、磁性材料を用いてヨークを兼ねるように構成する。このように構成すると、磁気抵抗の小さい磁路が形成され、第１、第２の永久磁石間の吸引、反発力が増し、サーキュラ・スプライン１とフレクスプライン２の歯車同士の圧着力が増して性能向上が図れる。
【００４０】
【発明の効果】
以上で明らかなように、本発明によれば、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列され、回転子の回転と回転子の第２の永久磁石群で吸引、反発する箇所を同期させるようにしたので、回転子の１回転が回転子の第２の永久磁石群で吸引、反発で生じる楕円軌跡の１回転となり、調和歯車装置本来の高減速比を得ることができる。
【００４１】
また、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列し、どの箇所でも回転子の第２の永久磁石群の磁力で吸引、反発するようにしたので、回転子の磁極数は楕円変形させるために偶数とするにしても、第１の永久磁石群の磁極数を任意にすることできる。
【００４２】
また、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列したので、異なる磁極の境界部が無くなり、その部分で歯車の圧着力が無くなるような不連続状態を防止することができる。
【００４３】
また、柔らかく加撓性のある樹脂で第２の永久磁石群全体をリング状に形成したので、第２の永久磁石群を自由に変形できるようになるとともに、フレクスプラインに接着等で固定しなくてもよくなり、かつ脱落の危険性もなくなり、長期間、安定で、高い信頼性を得ることができる。
【００４４】
また、柔らかく加撓性のある樹脂で第２の永久磁石群をリング状に形成して、自由に変形できるようにしたので、高い歯車同士の圧着力が得られ、高伝達トルクを得ることができる。
【００４５】
また、第２の永久磁石群を樹脂を収納してリング状としたので、永久磁石片がフレクスプライン上に直接触れず、樹脂が緩衝材となって騒音が少なくなる。
【００４６】
さらに、互いに極性を逆にした２つのマグネットリングと回転子とを、フレクスプラインの楕円変形が同一になるように軸方向に並列に配置した場合には、磁気抵抗の小さい磁路が形成され、第１、第２の永久磁石間の吸引、反発力が増し、サーキュラ・スプラインとフレクスプラインの歯車同士の圧着力が増えるので、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例を示す調和歯車装置の構成図である。
【図２】マグネットリングの一構成例を示す図である。
【図３】マグネットリングの別の構成例を示す図である。
【図４】回転子の構成例を示す図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、調和歯車装置をモータと一体化した場合の構成例を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態例を示す調和歯車装置の構成図である。
【図７】従来例の調和歯車装置の構成図である。
【図８】従来例の調和歯車装置の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１…サーキュラ・スプライン
２…フレクスプライン
２ａ…ストッパ
３…マグネットリング
３−１，３−２…マグネットリング
３ａ…マグネット片
３ｂ…樹脂
３ｃ…孔
３ｄ…溝
４…回転子
４−１，４−２…回転子
４ａ…ヨーク
１１ａ…円筒状部
１１ｂ…蓋部
１２ａ，１２ｂ…軸受
１３…出力軸
１３ａ…フランジ
１４…ロータ
１４ａ…第２の永久磁石
１４ｂ…ロータマグネット
１５ａ，１５ｂ…軸受
１６…ステータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、フレクスプラインとサーキュラ・スプラインを有し、永久磁石を用いてフレクスプラインを弾性変形させ、大きな減速比を得る調和歯車装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
調和歯車装置（波動歯車装置とも言う）は、大きな減速比と高トルクが得られることで知られている。市販されている従来の調和歯車装置は、歯数のわずかに異なる２つの歯車であるサーキュラ・スプラインおよびフレクスプラインと、ウェーブ・ジェネレータから構成されている。サーキュラ・スプラインは剛性を有し、円形のリングの内側にフレクスプラインと同じピッチで、フレクスプラインとはわずかに異なる（例えば、２枚多い）の歯を有している。フレクスプラインは薄肉、カップ状の金属弾性体の外周に歯を有し、ウェーブ・ジェネレータによって、内側から楕円に撓められて（弾性変形されて）、長径方向の２点でサーキュラ・スプラインと噛み合う。ウェーブ・ジェネレータは、楕円状のカムを内輪とし、弾性変形する外輪との間に多数のボールベアリングが配列されていて、内輪の回転に従ってボールベアリングを介して外輪を機械的に楕円に弾性変形させる。
【０００３】
ここで、例えば、サーキュラ・スプラインを固定してウェーブ・ジェネレータを時計方向に１回転させると、フレクスプラインは歯数差（２枚）分反時計方向に移動する。よって、ウェーブ・ジェネレータをモータ等で回転させれば、フレクスプラインの軸から大きく減速された回転出力が得られる。
【０００４】
しかし、上記の機械的に作用するウェーブ・ジェネレータは高精度の加工技術を必要とし、複雑、高価であるうえに、応答特性が悪く、ボールベアリングが寿命を決めていたため、このウェーブ・ジェネレータに代えて永久磁石の吸引力と反発力を用いてフレクスプラインを撓ませるようにした調和歯車装置が、特許公報第２６６７２０９号に開示されている。
【０００５】
図７にその調和歯車装置の構成例を示す。この調和歯車装置は、フレクスプライン１０２の弾性を維持するように、何らかの方法で第１の永久磁石片１０３をフレクスプライン１０２の内側に固着し、この第１の永久磁石群１０３に対向させ、間隙を設けて、第２の永久磁石群１０４を固定した回転子１０５を配置する。ここで、第１の永久磁石群１０３を構成する永久磁石片はＮ極とＳ極が内周面上の周回方向に交互に現れるように配列されるとともに、第２の永久磁石群１０４を構成する永久磁石片もＮ極とＳ極が外周面上の周回方向に交互に現れるように配列され、第１の永久磁石群１０３の磁極数は２ｎ±４（ｎは２以上の正の整数）に、第２の永久磁石群１０４の磁極数は２ｎに設定されている。図７の例では、第１の永久磁石群１０３の磁極数は８（２ｎ＋４においてｎ＝２）に、第２の永久磁石群１０４の磁極数は４（２ｎにおいてｎ＝２）に設定されている。
【０００６】
この調和歯車装置では、回転子１０５の１回転に対する楕円形状の回転数Ｔがｎとなるため、機械的に作用するウエーブ・ジェネレータでは得られない小さい減速比が得られるとしている。
【０００７】
一方、第１の永久磁石群１０３に加撓性を持たせる技術としては、特願昭６１−２３１８６３号公報に開示されたプラスチック磁石の例があげられる。この例では、希土類コバルト磁石材料を有機バインダで結合してプラスチック磁石片を構成し、フレクスプラインに第２の永久磁石片を固定した場合に加撓性が低くならないように試みている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の永久磁石を用いた調和歯車装置では、以下のような問題点があった。
【０００９】
１）上述のように、回転子が１回転する間にフレクスプラインの楕円形状がｎ回転するため、その減速比は機械的に作用するウエーブ・ジェネレータを用いた市販の調和歯車装置のｎ倍に小さくなってしまい、調和歯車装置の特徴である高減速比が得られないという問題がある。
【００１０】
２）図７の調和歯車装置では、ｎ＝１、すなわち第１の永久磁石群の磁極数が６で、回転子の磁極数が２であるようなものが作成できない（楕円軌跡ができない）という問題がある。
【００１１】
３）図８に示すように、回転子の一つの第２の永久磁石片がフレクスプライン側の異なる磁極を有する第１の永久磁石片同士の境界（Ａ部）を通過する際、片方には吸引力Ｆ20が働き、他方には反発力Ｆ10が働いて、磁力がキャンセルされ、歯車の圧着力が一瞬ではあるが無くなってしまうという問題がある。
【００１２】
４）弾性変形させるため、第１の永久磁石片にプラスチック磁石片を用いたとしても、長期間の使用にはクラックが入る（特に、図８のＡ部には入り易い）という問題があるとともに、高エネルギー積のネオジウム等の希土類コバルト磁石は焼結品であり、素材は変形しないので、必要十分な弾性変形は得られないという問題がある。このため、サーキュラ・スプライン歯車へのフレクスプライン歯車の圧着力が不十分となり、十分な伝達トルクが得られないという問題がある。
【００１３】
５）フレクスプラインは原理的に撓むものであるため、フレクスプラインに第１の永久磁石片を接着して固定する場合には、第１の永久磁石片がプラスチック磁石片であろうとも、楕円変形によって剥がれて脱落し、信頼性を低める問題がある。
【００１４】
そこで、本発明は、高い減速比を得ることができ、硬く変形しない剛性を有する高エネルギー積の永久磁石を用いても、長期間、安定で、かつ自由にフレクスプラインを弾性変形させることができる、永久磁石を用いた調和歯車装置を実現することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明による永久磁石を用いた調和歯車装置は、内歯を持つサーキュラ・スプラインと、該サーキュラ・スプラインとは異なる歯数の外歯を開口部付近の外周に持つ加撓性のあるカップ状のフレクスプラインとを有する調和歯車装置において、前記フレクスプラインの外歯に対向する内側に、棒状の第１の永久磁石片を同一磁極が周回方向に並行して配列されるように弾性を有する樹脂に収納したマグネットリングを取り付け、前記マグネットリングの内側に、該マグネットリングの第１の永久磁石片に対向する第２の永久磁石が該マグネットリングを磁力によって楕円に撓ませるように配置されて前記フレクスプラインの歯の一部を該サーキュラ・スプラインに噛み合わせながらこの撓みを回転させる回転子を設けたことを特徴とする。
【００１６】
あるいは、前記マグネットリングの樹脂の内周と外周の一方又は両方の軸方向に撓み変形を容易にするための溝を設けたことを特徴とする。
【００１７】
あるいは、前記マグネットリングを、軸方向のみの動きを、または軸方向と周回方向の動きを規制するストッパに係止させてフレクスプラインに取り付けたことを特徴とする。
【００１８】
あるいは、互いに極性を逆にした２つの前記マグネットリングと前記回転子とを、フレクスプラインの楕円変形が同一になるように軸方向に並べた配置としたことを特徴とする。
【００１９】
本発明では、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列して、回転子の回転と回転子の第２の永久磁石群で吸引、反発する箇所を同期させることにより、回転子の１回転が回転子の第２の永久磁石群で吸引、反発で生じる楕円軌跡の１回転となるようにして調和歯車装置本来の高減速比を得る。
【００２０】
また、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列し、どの箇所においても回転子の第２の永久磁石群で吸引、反発させることにより、回転子の磁極数は楕円に撓ませるために偶数とするにしても、第１の永久磁石群の磁極数を任意の数にできるようにする。
【００２１】
また、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列することにより、異なる磁極の境界部を無くし、その部分で歯車の圧着力が無くなるような不連続状態を防止する。
【００２２】
また、柔らかく加撓性のある樹脂で第２の永久磁石群全体をリング状に形成することにより、第２の永久磁石群を自由に変形できるようにするとともに、フレクスプラインに接着等で固定しなくてもよくし、かつ脱落の危険性もなくし、長期間、安定で、高い信頼性を得る。
【００２３】
また、上記のように柔らかく加撓性のある樹脂で第２の永久磁石群全体をリング状に形成して、自由に変形できるようにすることにより、高い歯車同士の圧着力が得られるようにして、高伝達トルクを得る。
【００２４】
また、上記のように第２の永久磁石群を柔らかい樹脂に収納することにより、第２の永久磁石片がフレクスプライン上に直接触れないようにし、樹脂を緩衝材として騒音を少なくする。
【００２５】
さらに、互いに極性を逆にした２つの前記マグネットリングと前記回転子とを、フレクスプラインの楕円変形が同一になるように軸方向に並べた配置とすることにより、磁気抵抗の小さい磁路を形成し、第１、第２の永久磁石間の吸引、反発力を増やし、サーキュラ・スプラインとフレクスプラインの歯車同士の圧着力を高めて信頼性を向上させる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態例を示す調和歯車装置の構成を示す断面図である。この調和歯車装置は、剛性を有し内歯を有する円形のサーキュラ・スプライン１と、カップ状で弾性変形する開口部付近の外周に外歯を有するフレクスプライン２と、このフレクスプライン２の外歯に対向する内側に取り付けた同一磁極配列の第１の永久磁石群を柔らかい弾性を有する樹脂に収納したマグネットリング３と、マグネットリング３を永久磁石の磁力で楕円に撓ませるための回転子４とから成る。
【００２８】
ここで、サーキュラ・スプライン１を固定して回転子４を回転させればフレクスプライン２から減速された回転出力が得られる。また、フレクスプライン２を固定して回転子４を回転することも可能であり、この場合にはサーキュラ・スプライン１から減速された回転出力が得られる。
【００２９】
図２は、マグネットリング３の一構成例を示す図である。マグネットリング３は、柔らかく、加撓性のある、シリコンや６ナイロン等の樹脂３ｂで作成したリングに第１の永久磁石片であるマグネット片３ａの複数個を回転子４に対向する周面が同一磁極（図例ではＳ極）になるように、かつ脱落しないように収納する。もちろん、一体成形して、両端面を閉じるようにしても良い。マグネット片３ａの形状としては、棒状であれば、その断面は方形状や円弧状など任意である。マグネット片３ａの数は、同一磁極配列であるため、どの箇所においても回転子４の第２の永久磁石の磁力で変形するので、回転子４の磁極数にかかわらず任意である。したがって、従来例の場合のｎ＝１を実現できることはもちろんであり、マグネットリング３の加撓性を増すためには、マグネット片３ａはできるだけ細く、数が多いほど良い。
【００３０】
マグネットリング３をフレクスプライン２に取り付ける場合は、例えばフレクスプライン２の内側に複数の突起状のストッパ２ａを設け、マグネットリング３側には孔３ｃを開けておいて、このストッパ２ａに孔３ｃを係止させることにより、軸方向と周回方向に動きが規制されるようにする。このようにマグネットリング３を取り付ければ、接着等の必要はなく、ストッパ２ａに係止させるだけでよいので、極めて取り付けが容易になるとともに、接着等の剥がれを心配する必要も無くなる。なお、マグネットリング３が、たとえ周回方向に動いても常に同じ磁極になるので、摩耗が小さいか無視できれば、軸方向のみの動きを規制すればよい。
【００３１】
図３は、マグネットリング３の別の構成例を示す図である。この例では、マグネットリング３の加撓性を増すために、マグネットリング３の外周側のマグネット片３ａ間の樹脂部分に溝３ｄを入れて構成している。この溝３ｄは、マグネットリング３の内周側に入れてもよいし、外周側と内周側の両方に入れても良い。外周側の溝３ｄを利用すると、ストッパ２ａをこの溝３ｄに嵌まり込むような形状にすることができる。これにより、周回方向に動くのを規制することができる。軸方向への動きを規制するには、その両端にあたるフレクスプライン２の内側にリング幅間隔の突起を立てればよい。
【００３２】
図４は、回転子４の構成例を示す図である。図４では、Ｎ極とＳ極を交互に９０゜間隔で配置した例を示している。この回転子４をマグネットリング３の内側に回転可能に配置すると、回転子４のＮ極ではマグネットリング３の単一のＳ極に対し吸引力が働き、回転子４のＮ極ではマグネットリング３の単一のＳ極に対し吸引力が働くので、マグネットリング３は直角の一方向では膨らみ、その他方では狭まって、全体として楕円に撓むこととなる。この回転子４が一回転すると、対向するマグネットリング２の楕円の軌跡も同期して一回転する。
【００３３】
なお、回転子は２極構成とすることも可能であり、その場合の２極は、Ｓ極とＳ極を、あるいはＮ極とＮ極を中心から対称な位置に配置して、反発力のみ、あるいは吸引力のみを利用して、マグネットリングを楕円に撓ませる。
【００３４】
図５は、本調和歯車装置をモータと一体化した場合の構成例を示す図であり、（ａ）は側面図を、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′から見た図を示す。
【００３５】
モータハウジングは、円筒状部１１ａと蓋部１１ｂからなる。この円筒状部１１ａの端面の軸受１２ａと、蓋部１１ｂの軸受１２ｂにより出力軸１３が支持される。
【００３６】
カップ状のフレクスプライン２は、その撓みの支点側がモータハウジングの円筒状部１１ａ内においてモータ軸１３のフランジ１３ａに固定されている。フレクスプライン２のカップ状の開口部内側には、撓み発生用のマグネットリング３が図１で示したような複数の突起状のストッパに係止され軸方向と周回方向に規制されて取り付けられている。このマグネットリング３の外側のフレクスプライン２の外周には、所定幅のフレクスプラインの歯がきざまれており、これに対向するモータハウジングの円筒状部１１ａ内周にはサーキュラ・スプライン１が固定されている。
【００３７】
一方、マグネットリング３の内側にはフレクスプライン２を楕円に撓ませて、この楕円の撓みを回転させるための回転子を兼ねるロータ１４が回転軸１３に対して２つの軸受１５ａ，１５ｂで回転自在に取り付けられている。ロータ１４の略半部には４個の第２の永久磁石１４ａが磁極を交互にしてマグネットリング３の内側に配置され、回転子を構成している。ロータ１４の残りの半部にはロータマグネット１４ｂが固定され、円筒状部１１ａの内周に固定されて配置されたステータ１６が発生する回転磁界により回転されるモータを構成している。
【００３８】
このような構成の調和歯車装置付モータにおいて、ロータ１４がモータで回転されると、フレクスプライン２の内側に配置されたロータ１４の第２の永久磁石１４ａが回転し、マグネットリング３は楕円に変形され、その楕円の軌跡がロータ１４の回転に同期して回転する。これにより、フレクスプライン２も楕円に撓んで、楕円の長径方向でフレクスプライン２の外歯がサーキュラ・スプライン１の内歯と噛み合い、ロータ１４が１回転すると歯数差分だけフレクスプライン２が逆方向に移動し、出力軸１３から減速した回転出力が得られる。
【００３９】
図６は、本発明の他の実施形態例を示す構成図である。同一磁極配列の磁極が異なっている２つのマグネットリング３−１，３−２をフレクスプライン２の内側に軸方向に並列に取り付け、磁極の配列の位相が異なる２つの回転子４−１，４−２を、楕円変形が同一の位相になるように各マグネットリング３−１，３−２の内側に並列に配置する。ここで、回転子４−１，４−２のベースを一体化したヨーク４ａで構成するとともに、サーキュラ・スプライン１を、磁性材料を用いてヨークを兼ねるように構成する。このように構成すると、磁気抵抗の小さい磁路が形成され、第１、第２の永久磁石間の吸引、反発力が増し、サーキュラ・スプライン１とフレクスプライン２の歯車同士の圧着力が増して性能向上が図れる。
【００４０】
【発明の効果】
以上で明らかなように、本発明によれば、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列され、回転子の回転と回転子の第２の永久磁石群で吸引、反発する箇所を同期させるようにしたので、回転子の１回転が回転子の第２の永久磁石群で吸引、反発で生じる楕円軌跡の１回転となり、調和歯車装置本来の高減速比を得ることができる。
【００４１】
また、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列し、どの箇所でも回転子の第２の永久磁石群の磁力で吸引、反発するようにしたので、回転子の磁極数は楕円変形させるために偶数とするにしても、第１の永久磁石群の磁極数を任意にすることできる。
【００４２】
また、第１の永久磁石群の磁極が同一磁極となるように配列したので、異なる磁極の境界部が無くなり、その部分で歯車の圧着力が無くなるような不連続状態を防止することができる。
【００４３】
また、柔らかく加撓性のある樹脂で第２の永久磁石群全体をリング状に形成したので、第２の永久磁石群を自由に変形できるようになるとともに、フレクスプラインに接着等で固定しなくてもよくなり、かつ脱落の危険性もなくなり、長期間、安定で、高い信頼性を得ることができる。
【００４４】
また、柔らかく加撓性のある樹脂で第２の永久磁石群をリング状に形成して、自由に変形できるようにしたので、高い歯車同士の圧着力が得られ、高伝達トルクを得ることができる。
【００４５】
また、第２の永久磁石群を樹脂を収納してリング状としたので、永久磁石片がフレクスプライン上に直接触れず、樹脂が緩衝材となって騒音が少なくなる。
【００４６】
さらに、互いに極性を逆にした２つのマグネットリングと回転子とを、フレクスプラインの楕円変形が同一になるように軸方向に並列に配置した場合には、磁気抵抗の小さい磁路が形成され、第１、第２の永久磁石間の吸引、反発力が増し、サーキュラ・スプラインとフレクスプラインの歯車同士の圧着力が増えるので、信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例を示す調和歯車装置の構成図である。
【図２】マグネットリングの一構成例を示す図である。
【図３】マグネットリングの別の構成例を示す図である。
【図４】回転子の構成例を示す図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、調和歯車装置をモータと一体化した場合の構成例を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態例を示す調和歯車装置の構成図である。
【図７】従来例の調和歯車装置の構成図である。
【図８】従来例の調和歯車装置の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１…サーキュラ・スプライン
２…フレクスプライン
２ａ…ストッパ
３…マグネットリング
３−１，３−２…マグネットリング
３ａ…マグネット片
３ｂ…樹脂
３ｃ…孔
３ｄ…溝
４…回転子
４−１，４−２…回転子
４ａ…ヨーク
１１ａ…円筒状部
１１ｂ…蓋部
１２ａ，１２ｂ…軸受
１３…出力軸
１３ａ…フランジ
１４…ロータ
１４ａ…第２の永久磁石
１４ｂ…ロータマグネット
１５ａ，１５ｂ…軸受
１６…ステータ
Claims (4)
- 内歯を持つサーキュラ・スプラインと、該サーキュラ・スプラインとは異なる歯数の外歯を開口部付近の外周に持つ加撓性のあるカップ状のフレクスプラインとを有する調和歯車装置において、
前記フレクスプラインの外歯に対向する内側に、棒状の第１の永久磁石片を同一磁極が周回方向に並行して配列されるように弾性を有する樹脂に収納したマグネットリングを取り付け、
前記マグネットリングの内側に、該マグネットリングの第１の永久磁石片に対向する第２の永久磁石が該マグネットリングを磁力によって楕円に撓ませるように配置されて前記フレクスプラインの歯の一部を該サーキュラ・スプラインに噛み合わせながらこの撓みを回転させる回転子を設けた
ことを特徴とする永久磁石を用いた調和歯車装置。 - 前記マグネットリングの樹脂の内周と外周の一方又は両方の軸方向に撓み変形を容易にするための溝を設けた
ことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石を用いた調和歯車装置。 - 前記マグネットリングを、軸方向のみの動きを、または軸方向と周回方向の動きを規制するストッパに係止させてフレクスプラインに取り付けた
ことを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石を用いた調和歯車装置。 - 互いに極性を逆にした２つのマグネットリングと回転子とを、フレクスプラインの楕円変形が同一になるように軸方向に並べた配置とした
ことを特徴とする請求項１または２または３に記載の永久磁石を用いた調和歯車装置。
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