JP4685383B2 - 波動歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は減速比が例えば１００以上の高減速比のカップ型波動歯車装置に関し、特に、そのカップ形状をした可撓性外歯歯車のダイヤフラムが、応力集中を緩和するのに適した断面形状形となっている波動歯車装置に関するものである。

波動歯車装置としては、その可撓性外歯歯車がカップ形状をしているカップ型波動歯車装置が知られている。図１は典型的なカップ型波動歯車装置を示す縦断面図であり、図２は装置中心軸線に直交する平面で切断した場合の構成を示す構成図である。これらの図に示すように、カップ型波動歯車装置１は、円環状の剛性内歯車２と、この内側に同心状態に配置したカップ形状の可撓性外歯歯車３と、この内側に嵌めた楕円形輪郭の波動発生器４とを備えている。カップ形状の可撓性外歯歯車３は、可撓性の円筒状胴部１１と、この円筒状胴部の中心軸線方向の一端から半径方向の内側に延びている円環状のダイヤフラム１２と、このダイヤフラム１２の内周縁に連続している円盤状の剛性ボス１３と、円筒状胴部１１の他方の端部の外周面部分に形成した外歯１４とを備えている。

この形状の可撓性外歯歯車３における外歯１４が形成されている円筒状胴部１１の部分は、波動発生器４によって楕円形に撓められ、その楕円形の長軸方向の両端に位置する外歯が、剛性内歯歯車２の内歯１５に噛み合っている。両歯車２、３には２ｎ（ｎは正の整数）の歯数差があるので、モータなどの回転駆動源によって波動発生器４を回転すると、両歯車２、３の噛み合い位置が周方向に移動して、両歯車２、３には歯数差に応じた相対回転が発生する。一般には剛性内歯歯車２が固定され、可撓性外歯歯車３から大幅に減速された回転が出力される。

ここで、波動発生器４によって楕円形に撓められるカップ形状の可撓性外歯歯車３の円筒状胴部１１は、図３（ａ）に示すように変形前の状態では円筒形状をしている。波動発生器４により楕円形に撓められた後においては、その楕円形の長軸を含む断面は、図３（ｂ）に示すように、円筒状胴部１１は、ダイヤフラム１２の側から開口端１１ａの側に向けて外側に徐々に広がった状態になる。また、楕円形の短軸を含む断面は、図３（ｂ）に示すように、円筒状胴部１１は、ダイヤフラム１２の側から開口端１１ａの側に向けて内側に徐々に窄まった状態になる。

このように円筒状胴部１１の開口端１１ａの側の部分を楕円形に撓めるために、円筒状胴部１１と剛性ボス１３の間にはダイヤフラム１２が形成されている。すなわち、円筒状胴部１１の開口端１１ａが楕円形に撓むと、その楕円形の長軸を含む断面においては、図３（ｂ）に示すように、ダイヤフラム１２がボス１３への付けね部分を中心として、矢印で示すように反り返る。これに対して、短軸を含む断面においては、図３（ｃ）に示すように、ダイヤフラム１２が矢印で示すように開口端１１ａの側に傾斜する。したがって、ダイヤフラム１２は、このような中心軸線１１ｂの方向への曲げ応力が作用すると同時に、トルク伝達によるせん断応力が作用する。

このため、ダイヤフラム１２は、これらの組み合わせ応力状態において、円筒状胴部１１の開口端側の部位を楕円形に変形させるための力が小さくて済み、しかも、大きなトルクを伝達することができるように、その断面形状が工夫されている。特に、この組み合わせ応力状態においてダイヤフラムに応力集中が発生しないように、その断面形状が工夫されている。例えば、下記の特許文献に応力集中を緩和可能な形状のカップ状の可撓性外歯歯車が開示されている。
特開平６−１７８８８号公報

ここで、ダイヤフラム１２の中心軸線１１ｂの方向への変形量は、波動歯車装置１の減速比に応じて変化する。低減速比の場合には、円筒状胴部１１の開口端側における楕円変形量が大きいので、それに伴ってダイヤフラム１２の中心軸線１１ｂの方向の変形量も大きくなる。逆に、高減速比の場合にはその変形量が小さくなる。よって、ダイヤフラム１２の最適な断面形状は減速比により異なってくる。しかしながら、従来においては、減速比を考慮してダイヤフラム１２の断面形状が決定されておらず、低減速比でのダイヤフラム１２の中心軸線方向の大きな変形量に基づき、ダイヤフラムの最適な断面形状が決定されている。

すなわち、波動歯車装置の可撓性外歯歯車のダイヤフラムには、基本的に、その円筒状胴部の楕円変形に伴って発生する曲げ応力と、伝達トルクに起因するせん断応力と、組み付け誤差に起因する曲げ応力が作用する。しかしながら、減速比が１００以上の高減速比の波動歯車装置の場合には、楕円変形量が僅かであるので、それに起因する曲げ応力が小さく、伝達トルクに起因するせん断応力が優位になる。

従来のダイヤフラムの断面形状の設定手法では、低減速比の場合における大きな曲げ応力を前提としている。この結果、高減速比の波動歯車装置のダイヤフラムの断面形状を設定した場合には、過大な許容曲げ応力が採用され、許容せん断応力が低く抑えられるので、最大許容伝達トルクが低く抑えられてしまっている。

本発明は、かかる点に鑑みて、高減速比の波動歯車装置に用いるのに適した断面形状のダイヤフラムを備えたカップ形状の可撓性外歯歯車を提案することにある。

本発明では、減速比が１００以上の高減速比のカップ型波動歯車装置においては、その可撓性外歯歯車のダイヤフラムに作用する楕円変形に起因する曲げ応力が、トルク伝達により発生するせん断応力に比べて極めて小さくなることに着目し、主としてせん断応力による応力集中を緩和して最大許容伝達トルクを高めるのに適したダイヤフラムの断面形状を見出したのである。

すなわち、本発明は、環状の剛性内歯歯車と、半径方向の可撓性を有する円筒状胴部、この円筒状胴部の中心軸線方向の一端から半径方向の内側に延びている円環状のダイヤフラム、このダイヤフラムの中心部分に一体形成されている円盤状の剛性ボス、および、前記円筒状胴部の中心軸線方向の他方の端部の外周面部分に形成された外歯を備えているカップ形状の可撓性外歯歯車と、前記外歯歯車の前記外歯が形成されている部分を楕円形に撓めて前記剛性内歯歯車に部分的に噛み合わせ、両歯車の噛み合い位置を周方向に移動させる波動発生器とを有する波動歯車装置において、前記ダイヤフラムの前記中心軸線を中心とする半径ｒ（ｍｍ）の位置の厚さをｔ（ｍｍ）とし、Ａを定数とすると、厚さｔは次の条件式（１）を満足する値であることを特徴としている。
ｔ＝Ａ／ｒ^２ （１）

ここで、前記の定数Ａは、前記可撓性外歯歯車のピッチ円直径をＤ（ｍｍ）とすると、次の条件式を満足する値であることが望ましい。
０．００１４Ｄ^３＜Ａ＜０．００２６Ｄ^３ （２）

また、前記ボスの径をｄ（ｍｍ）とすると、前記ダイヤフラムにおける前記条件式（１）によって規定される厚さｔの範囲は次の条件式を満たす半径ｒの値の範囲であることが望ましい。
０．６ｄ＜ｒ＜０．４Ｄ （３）

さらに、前記ボスおよび前記ダイヤフラムの間のつなぎ部分では、前記中心軸線を含む平面で切断した場合における当該つなぎ部分の前記円筒状胴部の側の輪郭形状を直線により規定した場合には、当該つなぎ部分における前記円筒状胴部とは反対側の輪郭形状を、次の条件式を満足する曲率半径Ｒの曲線によって規定することができる。
０．０２Ｄ＜Ｒ＜０．０７Ｄ （４）

本発明の波動歯車装置のカップ形状の外歯歯車は、そのダイヤフラムが、１００以上の高減速比の場合においてせん断応力による応力集中を緩和可能な断面形状に設定されている。したがって、従来に比べて許容伝達トルクの高い高減速比の波動歯車装置を実現できる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したカップ型波動歯車装置のカップ形状の可撓性外歯歯車の例を説明する。

図４は本例のカップ形状の可撓性外歯歯車を示す縦断面図である。本例の可撓性外歯歯車２０の基本形状は従来のもの（図１、２参照）と同様であり、半径方向に撓み可能な円筒状胴部２１と、この円筒状胴部の中心軸線方向２１ａの一端から半径方向の内側に延びている円環状のダイヤフラム２２と、このダイヤフラム２２の中心部分に同心状に一体形成されている円盤状の剛性のボス２３と、円筒状胴部１１の他方の端部の外周面部分に形成した外歯２４とを備えている。

ここで、ダイヤフラム２２の半径ｒの位置の厚さをｔとし、Ａを定数とすると、厚さｔは次の条件式（１）を満足する値となっている。
ｔ＝Ａ／ｒ^２ （１）

すなわち、ダイヤフラム２２における半径ｒの位置において、伝達トルクＴに起因して発生するせん断応力は、その部位のダイヤフラムの肉厚をｔとすると、Ｔ／（ｔ・ｒ^２）に比例する。したがって、ダイヤフラムの各部位で発生するせん断応力が一定となるようにするための肉厚ｔは１／ｒ^２に比例する。よって、上記の式（１）を満足するように肉厚ｔを設定すれば、ダイヤフラムの各部位において等しいせん断応力が発生する。

本発明者は、可撓性外歯歯車の楕円形変形に起因する曲げ応力、取り付け誤差に起因して発生する応力を無視して、減速比１００以上の高減速比の波動歯車装置における可撓性外歯歯車のダイヤフラムの断面形状を上記のように設定したところ、殆ど応力集中が無く、実用に適したダイヤフラムを得ることができることを確認した。

次に、定数Ａは、可撓性外歯歯車２０のピッチ円直径をＤとすると、次の条件式を満足する値とすることが望ましい。
０．００１４Ｄ^３＜Ａ＜０．００２６Ｄ^３ （２）

ここで、減速比が小さいほど楕円変形量が大きいので、ダイヤフラムの厚さは全体として薄くし、曲げ応力の集中を緩和し、また、波動発生器のベアリング反力が低くなるようにする必要がある。逆に、減速比が大きいほど楕円変形量が小さくなるので、ダイヤフラムの厚さを全体として厚くしても、曲げ応力の集中が起きず、また、波動発生器のベアリング反力が過大になることもない。よって、減速比が大きい場合には、上記の条件式（２）における下限側の値を採用し、減速比が大きい場合には、その上限側の値を採用すればよい。一例として、減速比が２００の場合には、Ａの値として「０．００２」を採用することができる。

一方、ダイヤフラム２２の内周端部分および外周端部分は、ボス２３および円筒状胴部２１に滑らかに連続させて、応力集中が起きないようにする必要がある。したがって、ダイヤフラム２２における条件式（１）によって規定される厚さｔの範囲は、このような移行部分を除いた範囲とすることが望ましい。具体的には、ボス２３の径をｄとすると、次の条件式を満たす半径ｒの値の範囲とすることが望ましい。
０．６ｄ＜ｒ＜０．４Ｄ （３）

本例では、中心軸線２１ａを含む平面で切断した場合において、円筒状胴部２１は、外歯２４が形成されている部分を除き、ほぼ平行に延びる直線３１、３２によって規定され、ほぼ一定の厚さとなっている。ダイヤフラム２２は、その内側の輪郭形状が中心軸線２１ａにほぼ直交する直線４１により規定され、この直線４１には凸曲線４２が滑らかに連続し、この凸曲線４２の他方の端が円筒状胴部２１の内側輪郭を規定している直線３１に滑らかに連続している。

ダイヤフラム２２の外側の輪郭は、上記の条件式（３）で規定される範囲（点４３から点４４までの範囲）が、上記の条件式（１）、（２）によって定まる厚さｔを満足する曲線４５によって規定されている。また、この曲線４５の端点４３は凸曲線４６に滑らかに連続し、この凸曲線４６の他端は円筒状胴部２１の外側輪郭を規定している直線３２に滑らかに連続している。

一方、ダイヤフラム２２の外側輪郭を規定している曲線４５の内端４４には、凹曲線４７が滑らかに連続しており、この凹曲線４７の他端４８は、ボス２３の外周面を規定している中心軸線２１ａにほぼ平行に延びる直線４９に滑らかに連続している。

ここで、ボス２３およびダイヤフラム２２の間のつなぎ部分を規定している凹曲線４７の曲率半径Ｒは、応力集中の緩和、および製造上の点を考慮すると、次の条件式を満足する値とすることが望ましい。
０．０２Ｄ＜Ｒ＜０．０７Ｄ （４）

このように断面形状が決定されているカップ形状の可撓性外歯歯車２０を用いた１００以上の高減速比の波動歯車装置では、ダイヤフラム２２において応力集中を緩和でき、従来に比べて許容伝達トルクを高くできることが確認された。

なお、本例では、ダイヤフラム２２の内側面が中心軸線２１ａに直交する平面（直線４１）によって規定されている。内側面を曲面によって規定することも可能である。例えば、図５に示す可撓性外歯歯車２０Ａはボス２３Ａが中空型のものであり、そのダイヤフラム２２Ａの断面形状を、その内側を湾曲線４１ａとして規定することができる。この場合においても、条件式（１）を満足する厚さｔとなるように、外側の曲線４５ａを規定すればよい。

一般的なカップ型波動歯車装置の縦断面図である。 図１の波動歯車装置の軸線に直交する平面で切断した場合の概略構成図である。 カップ形状の可撓性外歯歯車の変形状態を示す説明図である。 本発明を適用したカップ形状の可撓性外歯歯車の縦断面図である。 本発明を適用したカップ形状の可撓性外歯歯車の別の例を示す縦断面図である。

符号の説明

１ カップ型波動歯車装置
２ 剛性内歯歯車
２０ カップ形状の可撓性外歯歯車
２１ 円筒状胴部
２１ａ 中心軸線
２２、２２Ａ ダイヤフラム
２３、２３Ａ ボス
２４ 外歯
４ 波動発生器

Claims (4)

1. 環状の剛性内歯歯車と、
   半径方向への可撓性を有する円筒状胴部、この円筒状胴部の中心軸線方向の一端から半径方向の内側に延びている円環状のダイヤフラム、このダイヤフラムの中心部分に一体形成されている円盤状の剛性ボス、および、前記円筒状胴部の中心軸線方向の他方の端部の外周面部分に形成された外歯を備えているカップ形状の外歯歯車と、
   前記外歯歯車の前記外歯が形成されている円筒状胴部の部位を楕円形に撓めて前記剛性内歯歯車に部分的に噛み合わせ、両歯車の噛み合い位置を周方向に移動させる波動発生器とを有する波動歯車装置において、
   前記ダイヤフラムの前記中心軸線を中心とする半径ｒ（ｍｍ）の位置の厚さをｔ（ｍｍ）とし、Ａを定数とすると、厚さｔは次の条件式（１）を満足する値であることを特徴とする波動歯車装置。
   ｔ＝Ａ／ｒ^２ （１）
2. 請求項１において、
   前記の定数Ａは、前記可撓性外歯歯車のピッチ円直径をＤ（ｍｍ）とすると、次の条件式を満足する値であることを特徴とする波動歯車装置。
   ０．００１４Ｄ^３＜Ａ＜０．００２６Ｄ^３
3. 請求項２において、
   前記ボスの外径をｄ（ｍｍ）とすると、前記ダイヤフラムにおける前記条件式（１）によって規定される厚さｔの範囲は次の条件式を満たす半径ｒの値の範囲であることを特徴とする波動歯車装置。
   ０．６ｄ＜ｒ＜０．４Ｄ
4. 請求項３において、
   前記ボスおよび前記ダイヤフラムの間のつなぎ部分では、前記中心軸線を含む平面で切断した場合における当該つなぎ部分の前記円筒状胴部の側の輪郭形状が直線により規定されており、当該つなぎ部分における前記円筒状胴部とは反対側の輪郭形状が、次の条件式を満足する曲率半径Ｒの曲線によって規定されていることを特徴とする波動歯車装置。
   ０．０２Ｄ＜Ｒ＜０．０７Ｄ

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