JP4357054B2

JP4357054B2 - 追い越し型極大歯たけの歯形を有する負偏位撓みかみ合い式歯車装置

Info

Publication number: JP4357054B2
Application number: JP33075199A
Authority: JP
Inventors: 昌一石川
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 1999-11-22
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2019-11-22
Also published as: KR100648776B1; JP2001146945A; US6526849B1; DE10057595A1; KR20010060375A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットの関節、半導体製造装置等に多用されている撓みかみ合い式歯車装置に係り、特に当該装置に用いられる剛性内歯車と可撓性外歯車の歯の形状に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
撓みかみ合い式歯車装置については、創始者マッサー氏（Ｃ．Ｗ．Ｍｕｓｓｅｒ氏）の発明（米国特許２９０６１４３号）以来、今日まで同氏を始め、本願発明者を含む多くの研究者によって各種の発明考案がなされており、その歯形に関する発明に限っても、各種のものがある。
【０００３】
撓みかみ合い式歯車装置の歯形に関して、本願発明者は、剛性内歯車と可撓性外歯車の歯のかみ合いをラックで近似する手法で、双方の広域接触を行う歯末歯形を導く歯形設計法を提案している（特公昭４５−４１１７１号）。これに対し、ラック近似で生ずる歯形干渉を回避する発明（特開平７−１６７２２８）も出願されている。
【０００４】
具体的な歯形の発明としては、可撓性外歯車に円弧を与え、剛性内歯車の歯形をその包絡線とするものもある（日本特許第２８２８５４２号）。しかしこの発明に関しては、円弧歯形の採用は公知であり、干渉の問題など包絡の様相の解明を欠き、発明の有効性は乏しいと見られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
現在、撓みかみ合い式歯車装置の性能向上を望む市場の強い要求がある。特に負荷能力の向上及び過大負荷時の歯がずれる現象、いわゆるラチェティングの防止が望まれている。
【０００６】
一般に撓みかみ合い式歯車装置の負荷能力を支配する主な要素は、可撓性外歯車の歯底のリム強度と波動発生器の内輪転動面の特にその長軸付近の強度であるが、耐ラチェティングの能力は歯の高さ即ち歯たけと強い相関がある。
【０００７】
本発明の課題は、特に負荷能力を高める上で有利な追い越し型かみ合いの歯たけを極大とし、かつ干渉を生ずること無く全歯たけを伸ばすことによって、耐ラチェティングの能力向上を果たし、可撓性外歯車の撓み量を減らした負偏位とすることと歯底リムの曲げ応力が最大となる長軸近傍のかみ合いを避けることによって、撓みかみ合い式歯車装置の負荷能力を高めることを期すものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、撓み係数を１より小さくした負偏位の可撓性外歯車の歯形の基本形を凸円弧とし、該凸円弧歯形の中心が剛性内歯車の歯に対して画く移動軌跡の変曲点における法線と該軌跡の縮閉線を新たに導入し、歯形の干渉限界を明らかにすることにより、主かみ合いを果たす剛性内歯車の凹歯形部と可撓性外歯車の凸歯形部の歯たけの極大化、及び歯形の干渉無しに剛性内歯車の全歯たけの極大化を図り、上記目的を達成する。
【０００９】
すなわち、本発明は、剛性内歯車と可撓性外歯車と波動発生器とを有し、前記可撓性外歯車は、円筒状の胴部と、当該胴部の外周面に形成されている外歯とを備え、前記波動発生器は前記可撓性外歯車の軸直角断面を楕円状に撓めて前記剛性内歯車に対して部分的にかみ合わせており、前記剛性内歯車及び前記可撓性外歯車を共にモジュールｍの平歯車として、前記可撓性外歯車の歯数を前記剛性内歯車の歯数より２ｎ（ｎは正の整数）枚少なくし、前記波動発生器の回転により、両歯車に相対回転を生じさせる撓みかみ合い式歯車装置において、次ようにしたことを特徴としている。
【００１０】
まず、前記可撓性外歯車の歯筋の任意の個所に選んだ軸直角断面を主断面とし、この主断面で、前記可撓性外歯車の変形後の楕円状リム中立線の最大半径と変形前のリム中立円の半径との差をモジュールｍで除した値を楕円状リム中立線の撓み係数とし、当該撓み係数を標準値１より小さい負偏位とすることにより、楕円形の長軸付近を両歯車の歯の噛み合い領域より除外する。
【００１１】
また、前記可撓性外歯車の歯形の基本型を凸円弧とし、該凸円弧が前記剛性内歯車に創成する凹曲線を当該剛性内歯車の歯形の主部として与え、該凹曲線の歯先寄りの端点を、前記可撓性外歯車の凸円弧歯形の中心が前記剛性内歯車の歯に対して画く移動軌跡の変曲点における該軌跡の法線上に取り、該端点と噛み合う前記可撓性外歯車の凸円弧上の点を該凸円弧歯形の歯元寄りの端点とし、該歯元寄りの端点に続く凹曲線を前記可撓性外歯車の歯元曲線として与える。
【００１２】
更に、前記剛性内歯車の凹歯形の端点に続く歯先側の歯形を、前記可撓性外歯車の凸円弧歯形中心による移動軌跡の変曲点における該軌跡の法線上の点から、該軌跡の縮閉線上に現れる被創成曲線の折り返し点までの被創成凸曲線として与え、該被創成凸曲線に更に前記可撓性外歯車との干渉無しに円弧状凸曲線を追加する。
【００１３】
これに加えて、前記可撓性外歯車の凸円弧歯形の歯先点を、該折り返し点で前記剛性内歯車の該被創成凸曲線歯形とかみ合う点として設定する。
【００１４】
かかる構成により、本発明では、可撓性外歯車の主断面で、長軸を離れて凹と凸の歯形が追い越し型のかみ合いを行う極大歯たけを有する撓みかみ合い式歯車装置を実現している。
【００１５】
ここで、可撓性外歯車としては、円筒状部材の外周面に外歯が形成されているフラット状のものの他に、コップ状あるいはシルクハット状のものが知られており、このような形状の可撓性外歯車は、円筒状の胴部と、当該胴部の一端に連続している円環状のダイヤフラムと、前記胴部の他端に形成されている開口部と、前記胴部の開口部側の外周面に形成されている前記内歯にかみ合い可能な外歯とを備えている。この場合には、前記波動発生器は、前記可撓性外歯車の前記胴部における軸直角断面を、前記ダイヤフラムから前記開口部にかけて前記ダイヤフラムからの距離にほぼ比例した撓み量を生ずるように楕円状に撓めて前記外歯車を前記内歯車に対して部分的にかみ合わせることになる。
【００１６】
この場合には、必要に応じて、前記可撓性外歯車の前記主断面より、前記胴部の前記開口部にかけてと、前記胴部の前記ダイヤフラムに連続している内端部にかけて、歯にレリービングを施すことが望ましい。
【００１７】
また、前記剛性内歯車の歯先側凸歯形に逃げを与えて、該凸歯形と前記可撓性外歯車の凸歯形とのかみ合いを除去することも可能である。
【００１８】
さらに、前記剛性内歯車の被創成凹歯形を、かみ合い領域の代表点における該歯形の曲率円で近似することも可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、剛性内歯車と可撓性外歯車の歯数差が２ｎ（ｎは正の整数）で、可撓性外歯車の主断面でリム中立線の形状を、半径がｒ_nの真円に全振幅２κｍｎ（κは撓み係数、ｍはモジュール）、波長が半円周に等しい正弦波を重畳して、近似の楕円形状とした実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、典型的な撓みかみ合い式歯車装置の一例の正面図である。この図に示すように、撓みかみ合い式歯車装置１は、環状の剛性内歯車２と、この内側に配置された可撓性外歯歯車３と、この可撓性外歯車３の内側に嵌め込まれた波動発生器４から構成されている。波動発生器４は楕円形輪郭形状をしており、可撓性外歯歯車３を楕円形に撓めて、その楕円形の長軸方向の両端部分において、両歯車を部分的にかみ合わせている。
【００２１】
図２は可撓性外歯車の含軸断面を示したものであり、実線はコップ状の可撓性外歯車３Ａであり、破線はシルクハット状の可撓性外歯車３Ｂである。この図２において、（ａ）は変形前の姿、（ｂ）は楕円状曲線の長軸を含む断面、（ｃ）は短軸を含む断面であり、図中の直線Ｌは軸直角断面を示し、主断面の一例である。
【００２２】
コップ状の可撓性外歯車３Ａは、円筒状の胴部３１と、その一端に連続して半径方向の内側に延びている円環状ダイヤフラム３２と、このダイヤフラム３２の内周縁に連続している円環状ボス３３と、胴部３１の開口部３４側の外周面に形成された外歯３５を備えている。楕円形の波動発生器４を胴部３１の開口部３４の側からはめ込むと、そのダイヤフラム側の内端部３６から開口部３４の側に向けて、ダイヤフラム側からの距離にほぼ比例した撓み量となるように、当該胴部３１は楕円形に撓められる。
【００２３】
シルクハット状の可撓性外歯車３Ｂは、胴部３１の内端部３６から半径方向の外側に広がる状態で円環状のダイヤフラム３２Ｂが形成され、その外周縁に連続して円環状ボス３３Ｂが形成されている。これ以外の構成はコップ状のものと同様である。
【００２４】
図３は、本発明の歯形形成の基となる主断面における両歯車２、３の歯の相対運動の関係を示すものである。可撓性外歯車３の一歯ｔに、リム中立線と歯山中心線（これはリム中立線への法線ｌ_Rと一致する）の交点Ｏ_Fを原点とする座標軸ｘ_F，ｙ_Fを設ける。次に波動発生器４（図３においては省略してある。）の回転によって生じる、剛性内歯車２の一歯溝に設定した座標系Ｏ_c−ｘ_c,ｙ_cに対する相対的な可撓性外歯車の一歯ｔの運動は、座標系Ｏ_c−ｘ_c,ｙ_cに対する座標系Ｏ_F−ｘ_F,ｙ_Fの運動として記述される。
【００２５】
図４は本発明の歯形設定の手順を示す説明図である。同図で先ず可撓性外歯車３の歯形の主部を凸円弧ａとして与える。ここで本願の要諦を成す該凸円弧の中心Ａの剛性内歯車に固定した空間内における移動軌跡ｌ_Cを画く。次に移動軌跡ｌ_Cの縮閉線ｅ（移動軌跡の各点における曲率中心の軌跡）を求める。本願の撓み係数が１より小さい所謂負偏位の場合には、円弧中心の移動軌跡には変曲点Ｈが現れ、縮閉線は二葉となり、変曲点Ｈを通る移動軌跡の法線は漸近線ｚとなることを本願発明者は見出した。
【００２６】
可撓性外歯車３の凸円弧歯形の半径ρ_Fを与えると、剛性内歯車２に創成される歯形は、該円弧中心の移動軌跡ｌ_Cの平行曲線ｂとして得られる。本願発明者はこの平行曲線ｂが漸近線ｚと点Ｉで交わり、点Ｉより歯元側では凹曲線となり、歯先側では凸曲線となり、かつ縮閉線上に折り返し点Ｒを持つことを見出した。本発明は折り返し点Ｒまでの被創成曲線としての該平行曲線を剛性内歯車２の歯形として採用し、かつ可撓性外歯車３の凸円弧歯形の範囲を、歯先は点Ｒとかみ合い開始期に接触する位置に取り、歯元側は凸歯形同士のかみ合い終了期（これは凸歯形と凹歯形のかみ合いの開始期でもある）に点Ｒと接触する位置に取る。
【００２７】
図５は、図４の手法による両歯車の歯の一例を示す。同図で剛性内歯車の歯末には、可撓性外歯車の歯先及び歯底との干渉を避ける範囲で、円弧状に歯たけを追加してある。これは歯たけの増加によってラチェティングトルクの増大を図るためである。
【００２８】
図６（ａ）ないし（ｆ）は、図５の歯形による撓みかみ合い式歯車装置の歯のかみ合いを示す一例であり、長軸位置から短軸位置までの９０度の範囲内における両歯車の各歯のかみ合い状態を示してある。
【００２９】
本発明は可撓性外歯車の凸円弧歯形と剛性内歯車の凹曲線歯形の所謂追い越し型のかみ合いを主とし、かつ、かみ合いに参加する歯たけを極大とすることにより、装置の負荷能力を大きく高めることができる。また負偏位の特徴として、かみ合いは長軸を離れた個所で行われる。従って可撓性外歯車のリムの楕円変形による曲げ応力が最大となる長軸の個所に歯のかみ合いによる応力が重畳されることはなく、歯のかみ合いによる応力は、楕円変形による曲げ応力が減少する個所に現われ、この点でも可撓性外歯車の負荷能力を高めることとなる。
【００３０】
本発明の歯形のかみ合いは、凸歯形と凹歯形のかみ合いを主とするものであり、凸歯形同士のかみ合いはこれを除いても、差し支えない。
【００３１】
また、剛性内歯車の凹曲線歯形は円弧に近似しており、これを曲率円で置きかえることも実用的に可能である。
【００３２】
上記の説明は可撓性外歯車の主断面に関するものである。主断面より開口部側とダイヤフラム側に離れた断面については、歯の干渉を回避するため、必要に応じ図７に示すようにレリービングを施すことが望ましい。ただし、フラット型の撓みかみ合い歯車装置の場合は、その必要はない。
【００３３】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、負偏位を採用することにより、可撓性外歯車の長軸を離れたかみ合い範囲を実現して、可撓性外歯車のリムに生ずる、楕円変形による長軸近傍の曲げ応力と歯のかみ合いによる引張り応力との重畳を避け、かつ波動発生器の球荷重分布も長軸近傍を避けた分布とし、両歯車の主かみ合いを極大の歯たけを有する面圧上有利な凹と凸の歯形による追い越し型のかみ合いとすることにより、撓みかみ合い式歯車装置の負荷能力を大きく高めることができる。
【００３４】
また歯たけの極大化は装置のラチェティングトルクの増大に寄与し、装置の実用性を確かなものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な撓みかみ合い式歯車装置の一例の概略の正面図である。
【図２】コップ状およびシルクハット状の可撓性外歯車の撓み状況を含軸断面で示す説明図であり、（ａ）は変形前の状態、（ｂ）は該歯車の長軸を含む断面であり、（ｃ）は短軸を含む断面図である。
【図３】可撓性外歯車と剛性内歯車の歯のかみ合いの相対的な位置関係を示す説明図である。
【図４】本発明の歯形設定方式の説明図である。
【図５】本発明の歯形の一例である。
【図６】本発明の歯形のかみ合いを示す一例である。
【図７】歯に施すレリービングの説明図である。
【符号の説明】
１撓みかみ合い式歯車装置
２剛性内歯車
３可撓性外歯車
４波動発生器
ｔ可撓性外歯車の一歯
ｌ_R リム中立線への法線
Ｏ_F リム中立線と歯山中心線の交点
ａ可撓性外歯車の歯形の主部を凸円弧
Ａ凸円弧の中心
ｌ_C 凸円弧の中心Ａの剛性内歯車に固定した空間内における移動軌跡
ｅ移動軌跡ｌ_Cの縮閉線（移動軌跡の各点における曲率中心の軌跡）
Ｈ移動軌跡の変曲点
ｚ漸近線（変曲点Ｈを通る移動軌跡の法線）
ρ_F 可撓性外歯車の凸円弧歯形の半径
ｂ移動軌跡ｌ_Cの平行曲線
Ｉ平行曲線ｂにおける漸近線ｚとの交点
Ｒ平行曲線ｂにおける縮閉線上の折り返し点

Claims

剛性内歯車と可撓性外歯車と波動発生器とを有し、前記可撓性外歯車は、円筒状の胴部と、当該胴部の外周面に形成されている外歯とを備え、前記波動発生器は前記可撓性外歯車の軸直角断面を楕円状に撓めて前記剛性内歯車に対して部分的にかみ合わせており、前記剛性内歯車及び前記可撓性外歯車を共にモジュールｍの平歯車として、前記可撓性外歯車の歯数を前記剛性内歯車の歯数より２ｎ（ｎは正の整数）枚少なくし、前記波動発生器の回転により、両歯車に相対回転を生じさせる撓みかみ合い式歯車装置において
前記可撓性外歯車の歯筋の任意の個所に選んだ軸直角断面を主断面とし、
この主断面で、前記可撓性外歯車の変形後の楕円状リム中立線の最大半径と変形前のリム中立円の半径との差をモジュールｍで除した値を楕円状リム中立線の撓み係数とし、当該撓み係数を標準値１より小さい負偏位とすることにより、楕円形の長軸付近を両歯車の歯の噛み合い領域より除外し、
前記可撓性外歯車の歯形の基本型を凸円弧とし、該凸円弧が前記剛性内歯車に創成する凹曲線を当該剛性内歯車の歯形の主部として与え、該凹曲線の歯先寄りの端点を、前記可撓性外歯車の凸円弧歯形の中心が前記剛性内歯車の歯に対して画く移動軌跡の変曲点における該軌跡の法線上に取り、該端点と噛み合う前記可撓性外歯車の凸円弧上の点を該凸円弧歯形の歯元寄りの端点とし、該歯元寄りの端点に続く凹曲線を前記可撓性外歯車の歯元曲線として与え、
前記剛性内歯車の凹歯形の端点に続く歯先側の歯形を、前記可撓性外歯車の凸円弧歯形中心による移動軌跡の変曲点における該軌跡の法線上の点から、該軌跡の縮閉線上に現れる被創成曲線の折り返し点までの被創成凸曲線として与え、該被創成凸曲線に更に前記可撓性外歯車との干渉無しに円弧状凸曲線を追加し、
前記可撓性外歯車の凸円弧歯形の歯先点を、該折り返し点で前記剛性内歯車の該被創成凸曲線歯形とかみ合う点として設定することにより、
前記可撓性外歯車の前記主断面で、長軸を離れて凹と凸の歯形が追い越し型のかみ合いを行う極大歯たけを有することを特徴とする撓みかみ合い式歯車装置。
請求項１において、
前記可撓性外歯車は、前記胴部の一端に連続している円環状のダイヤフラムと、前記胴部の他端に形成されている開口部と、前記胴部の開口部側の外周面に形成されている前記外歯とを備え、前記波動発生器は、前記可撓性外歯車を、前記ダイヤフラムから前記開口部にかけて前記ダイヤフラムからの距離にほぼ比例した撓み量を生ずるように楕円状に撓めていることを特徴とする撓みかみ合い式歯車装置。
請求項２において、
前記可撓性外歯車の前記主断面より、前記胴部の前記開口部にかけてと、前記胴部の前記ダイヤフラムに連続している内端部にかけて、歯にレリービングを施すことを特徴とする撓みかみ合い式歯車装置。
請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、
前記剛性内歯車の歯先側凸歯形に逃げを与えて、該凸歯形と前記可撓性外歯車の凸歯形とのかみ合いを除去したことを特徴とする撓みかみ合い式歯車装置。
請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
前記剛性内歯車の被創成凹歯形を、かみ合い領域の代表点における該歯形の曲率円で近似したことを特徴とする撓みかみ合い式歯車装置。