JP4902227B2 - 波動歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、小型、軽量で高精度、高減速比が得られる波動歯車装置に関し、特に運転の静粛さと円滑さが要求されるロボットの関節駆動部、半導体製造装置、精密アクチュエータ用減速機等の自動化機械の分野、宇宙技術の分野での制御機構、駆動機構として好適な波動歯車装置に関する。

波動歯車装置は、動力を伝達するための歯車減速装置であり、軽量、コンパクトで複雑な機構、構造を用いることなく高精度、高減速比が得られ、しかもバックラッシが非常に小さい、可撓性歯車（フレックススプライン）を備える歯車減速装置として知られている。

従来の波動歯車装置としては、環状の剛性内歯歯車に弾性的な撓み噛み合い式の可撓性外歯歯車を部分的に噛み合わせるとともに、弾性的な可撓性を利用することにより、その噛み合わせ位置を両歯車の歯数差によって円周方向に移動させる波動発生器を備える構造のものが代表的である（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の波動歯車装置は、図４及び５に示すように、環状の剛性歯車部材２００と、この内側に配置された可撓性外歯歯車３００と、この内側にベアリングを介してはめ込まれた楕円形の波動発生器４００とを有している。可撓性外歯歯車３００は、円筒状の円筒部３１０と、この円筒部３１０の基端側に連なる環状のダイアフラム部３２０と、このダイアフラム部３２０の中心に一体的に形成されているボス（取付部）３３０と、円筒部３１０の先端側の開口端部の外周面に形成された外歯３４０とを備えている。

波動発生器４が駆動源のモータ回転軸等により回転すると、ベアリングの弾性変形可能な外輪とともに、可撓性外歯歯車３００が弾性変形して両歯車の噛み合い位置が円周方向に移動する。一般には、剛性歯車部材２００の側が固定部に固定されているので、可撓性外歯歯車３００の側のボス（取付部）３３０から、両歯車の歯数差に応じて大幅に減速された回転が出力される。

可撓性外歯歯車３００は、弾性変形を許容する円筒部３１０と環状のダイアフラム部３２０とが円筒部３１０の一方の基端側から半径方向の内側に向かう湾曲部を介して互いに連結されており、このダイアフラム部３２０の内周縁に一体的に形成された環状のボス（取付部）３３０と、円筒部３１０の他方の先端側の開口端部の外周面に形成された外歯３４０とを備えている。

この従来の波動歯車装置１００は、他の形式のインボリュート遊星減速機、サイクロイド遊星減速機等の減速機に比べて、小型軽量で、バックラッシが無いので、精密位置決め用途などに適している。しかしながら、この波動歯車装置は、装置内部の噛み合い機構により発生する振動を抑制することが困難な問題がある。

前記特許文献１に記載の波動歯車装置１００における前記問題の振動特性を改善したものとして、前記円筒部３１０における前記外歯３４０が形成されている部分以外の軸線方向の長さを、前記ダイアフラム部の半径方向の長さよりも小さい寸法に設定した扁平型波動歯車装置が提案されている（特許文献２参照）。

前記特許文献２に記載の扁平型波動歯車装置は、外径寸法が大きく、軸線方向長さが小さい扁平な波動歯車装置である。この扁平型波動歯車装置においては、剛性、減衰能および歯車精度が向上し、軽量でコンパクトであるという特長を維持したまま振動の低減化を実現できることが開示されている。
特開平１０−１１０７９０号公報（段落０００２〜０００３、図１及び２） 再公表特許ＷＯ９８／５３２２４号公報（第６〜７頁、図１）

しかしながら、前記特許文献１に記載の波動歯車装置１００は、剛性歯車部材２００と可撓性外歯歯車３００との噛み合わせを波動発生器４の回転によって行うため、噛み合い機構による高い騒音の発生を抑制することが困難であるという問題を有している。
前記特許文献２に記載の扁平型波動歯車装置においては、前記特許文献１の波動歯車装置１００における前記振動特性問題が改善されるとしても、その反面、剛性と減衰能が高く維持されたままであるため、静粛性、柔軟性が要求されるロボットなどの商品への使用に対しては駆動部の騒音低減の問題が残される。

波動歯車装置は、撓み噛み合い歯車を構成するため、可撓性歯車（フレックススプライン）の弾性変形可能な薄肉撓み部分は薄肉且つ高強度でなければならない。そのため、前記の騒音の問題は、波動歯車装置の構成部材に対して、高応答な制御が励振源になり、薄肉撓み部分が振動し円筒部で共鳴現象が引き起こされるため、従来技術においても前記したように振動問題と騒音問題とを同時に解決することは困難であった。

波動歯車装置をロボットに使用する場合、波動発生器に接続されるモータの回転数の応答周波数に伴う被駆動系の前記薄肉部の円筒部における共鳴現象が騒音問題につながり、その結果、静粛な運転を損ね、部材疲労に対する影響など、商品性を劣悪化させている。例えば、可撓性歯車（フレックススプライン）の振動周波数の固有値が２００Ｈｚ前後で駆動源のモータ回転数が６０００ｒｐｍ（１００Ｈｚ）、制御の応答周波数が１ＫＨｚであるような場合には共振しやすい状態となることがある。

本発明の課題は、前記従来技術における問題に鑑み、波動歯車装置の噛み合い機構を構成する部材自体の噛み合いによって誘起する振動と騒音を抑制できるようにした波動歯車装置の提供を目的とする。

本発明の前記課題を解決するために講じた手段は、次に記載のとおりである。
請求項１では、可撓性歯車部材と剛性歯車部材とを有する波動歯車装置において、前記可撓性歯車部材の取付部と歯部との間に設けられる可撓性材料から形成され、かつ弾性変形可能なように薄肉に形成された薄肉撓み部分に当該可撓性歯車部材よりも弾性係数の低い材料を付着することを特徴とする。
この構成により、可撓性歯車部材の振動を容易に抑制でき、騒音を低減できる。

請求項２では、請求項１の波動歯車装置において、前記弾性係数の低い材料は、前記薄肉撓み部分の前記歯部の歯面側又は反歯面側のいずれか一方に付着されることを特徴とする。
この構成により、可撓性歯車部材の振動を容易に抑制でき、柔軟性をさらに高めることができる。

請求項３では、請求項１又は２の波動歯車装置において、前記薄肉撓み部分は、円筒部と当該円筒部に連なるダイアフラム部とを有し、前記弾性係数の低い材料を前記円筒部と前記ダイアフラム部の少なくとも一方に付着することを特徴とする。
この構成により、可撓性歯車部材の振動を容易に抑制でき、制振効果に加えて柔軟性をさらに高めることができる。

請求項４では、請求項１ないし３のいずれか１項の波動歯車装置において、前記弾性係数の低い材料は、前記可撓性歯車部材の前記円筒部及び前記ダイアフラム部に発生する振動の最大振幅点近傍に他の部分よりも多く付着されることを特徴とする。
この構成により、振動の大きなところを抑制することで、騒音低減効果を高めることができる。

請求項５では、請求項４の波動歯車装置において、前記最大振幅点は、前記可撓性歯車部材の前記円筒部及び前記ダイアフラム部に発生する１次曲げ振動の腹部であることを特徴とする。
この構成により、低周波の騒音を低減することができる。

請求項６では、可撓性歯車部材と剛性歯車部材とを有する波動歯車装置において、
可撓性歯車部材の取付部と歯部との間に設けられる可撓性材料から形成され、かつ弾性変形可能なように薄肉に形成された薄肉撓み部分に吸音性材料を付着することを特徴とする。
この構成により、薄肉撓み部分において共鳴する騒音を低減することができる。

本発明によれば、波動歯車装置の可撓性歯車部材の薄肉部分である薄肉撓み部分に前記可撓性歯車部材よりも弾性係数の低い材料又は吸音性材料を付着した簡単な構造により、噛み合い機構を構成する可撓性歯車部材自体の噛み合いによって誘起する振動と騒音を抑制し、優れた運転の静粛性を簡単な構造により得ることができ、さらに、歯車駆動系として、その使用部位、必要出力等の使用状況に応じて適宜最適な制振効果と騒音抑制効果を達成することができ、柔軟性を維持しつつ部材疲労を低減して商品の品質、信頼性を向上した波動歯車装置を提供できる。

本発明を実施するための最良の形態について適宜図面を参照しつつ以下に説明する。
図１は、本実施の形態に係る波動歯車装置の斜視断面図である。図２は、本実施の形態に係る波動歯車装置の可撓性歯車部材の要部を示す概念図である。図３は、本実施の形態に係る波動歯車装置の可撓性歯車部材の１次曲げ振動状態を示す概念図である。

図１に示すように、波動歯車装置１は、環状の剛性歯車部材２と、弾性変形可能な環状の可撓性歯車部材（フレックススプライン）３と、波動発生器４とから主として構成されている。本発明の実施の形態に係る波動歯車装置１において、公知の波動歯車装置（フレックススプライン）と重複する詳しい説明は省略する。

前記剛性歯車部材２は、該剛性歯車部材２の内周部に形成した歯部２１と、該剛性歯車部材２の外周部を図示しない固定部材に固定するための剛性歯車取付部２２と、を備えている。前記可撓性歯車部材３は、図示しない出力部材に接続される取付部３３と、剛性歯車部材２の歯部２１に噛み合う歯部３４と、を備えている。

前記取付部３３は、可撓性歯車部材３の一端に設けられ、前記歯部３４は、可撓性歯車部材３の他端に設けられている。この可撓性歯車部材３には、前記取付部３３と歯部３４の間を連結する薄肉に形成した薄肉撓み部分が設けられており、この薄肉撓み部分には、前記可撓性歯車部材３よりも弾性係数の低い材料又は吸音性材料が付着されている。なお、吸音性材料の説明は後記する。

図１に示すように、波動歯車装置１は、前記剛性歯車部材２の歯部２１に形成した内歯と、前記可撓性歯車部材３の歯部３４に形成した外歯と、が噛み合うように構成されている。前記波動発生器４は、前記可撓性歯車部材３の歯部３４を非円形の楕円形状などに撓めて、外歯を前記剛性歯車部材２の内歯に噛み合わせるための楕円状のカム部４１を有するもので構成されている。

なお、本実施の形態では、前記剛性歯車部材２を、その内周に内歯を備える例で説明するが、本発明はこれに限定されることなく、逆に外周に外歯を備えるものに適用したものであってもよい。また、前記可撓性歯車部材３は、外周に外歯を備えるものに代えて、その内周に内歯を備えるものに適用したものであってもよい。前記波動発生器４も、本実施の形態に限定されることなく、楕円状のカム部を有するもの代えて、例えば、電磁石と磁性流体とから成る波動発生器を用いてもよい。

図１に示すように、可撓性歯車部材３の前記薄肉撓み部分は、軸方向に円筒状に形成された円筒部３１と、この円筒部３１の基端側に連続して半径方向に接続されるダイアフラム部３２と、を備えている。
前記可撓性歯車部材３の取付部３３は、前記ダイアフラム部３２からさらに半径方向外方又は内方に連続的に延長接続されて環状に形成されている。本実施の形態では、取付部３３を図示のように半径方向外方に延長されて環状に形成されている例で説明する。

この可撓性歯車部材３は、全体が可撓性材料から形成されたものでもよいが、少なくとも前記円筒部３１及び前記ダイアフラム部３２を含む前記薄肉撓み部分は、可撓性材料から形成され、かつ弾性変形可能なように薄肉に形成されている。一方、環状の取付部３３は、厚肉に形成され、ボルトなどの取付用穴が設けられている。なお、可撓性歯車部材３の歯部３４も弾性変形可能に構成されている。

前記可撓性歯車部材３の円筒部３１の先端側の開口端部の外周面に形成した歯部３４には、放射方向に向けた外歯が形成されている。可撓性歯車部材３の端部は、この外歯を形成するために円筒部３１の本体部分よりもやや厚肉に形成されている。前記ダイアフラム部３２は、前記円筒部３１の一端から湾曲部３５を介して半径方向に連続的に延長して接続されている。前記取付部３３は、前記ダイアフラム部３２の半径方向に連続的に延長して接続されている。

剛性歯車部材２は、剛性体で形成されており、その内周側に半径方向に向けて歯部２１に内歯が形成されている。剛性歯車部材２の内歯は、前記波動発生器４の楕円状のカム部４１に外嵌された可撓性のベアリング５を介して可撓性歯車部材３に形成された歯部３４の外歯と部分的に噛み合うように構成されている。

波動発生器４は、カム部４１を備え、図示しないモータ等の回転軸に固定される。カム部４１は、その外周面がモータ等の回転駆動によりカム作用をなすように楕円状に形成されている。
このカム部４１は、剛性歯車部材２の内歯に対して可撓性歯車部材３の外歯を半径方向に撓ませて部分的に噛み合わせる役目を果たすものである。

図２に示すように、可撓性歯車部材３の構成において、前記薄肉撓み部分は、前記円筒部３１と前記湾曲部３５と前記ダイアフラム部３２とにより一体的に形成されている。

ベアリング５は、保持器により保持された転動体５１、内輪５２及び外輪５３を有している。ベアリング５の内輪５２は、波動発生器４のカム部４１の外周に固定されており、その外輪５３は、可撓性歯車部材３の前記円筒部３１の先端側の開口端部に形成された歯部３４の裏面側に嵌合されている。ベアリング５の外輪５３は、弾性変形可能に構成されている。

可撓性歯車部材３における前記薄肉撓み部分の円筒部３１とダイアフラム部３２には、片面側又は両面側にわたり、全面的又は部分的に前記可撓性歯車部材３よりも弾性係数の低い材料である弾性材６が付着されている。また、この弾性材６は、前記円筒部３１とダイアフラム部３２の少なくともどちらか一方に付着するものあってもよい。

図２には、シート状に形成した場合の前記弾性材６が、前記円筒部３１とダイアフラム部３２を含む前記薄肉撓み部分の両面側において全面的に付着されている状態を示している。弾性材６を前記薄肉撓み部分に対して部分的に付着する場合は、前記薄肉撓み部分の適宜箇所でよいが、特に、最大の振動抑制効果を発揮させるためには円筒部３１又はダイアフラム部３２の最大振幅点近傍の付着を他の部分よりも部分的に厚みを大きくするなどにより、付着量を多くして付着するのがよい。
この場合、付着量を他の部分よりも多くする箇所を１次曲げ振動の最大振幅点となる腹の箇所とすると、さらに低周波の騒音を低減することができる。

図３は、可撓性歯車部材２の１次曲げ振動状態を示している。この図では、前記円筒部３１において、歯部３４の歯面側における１次曲げ振動の最大振幅点である腹の箇所に、部分的に、かつ厚みが図２のシート状のものよりも厚い弾性材６を付着した例を概念的に示している。この弾性材６は、前記円筒部３１の周方向に連続して付着されている。

図示していないが、円筒部３１の反歯面側に弾性材６を付着してもよく、また、円筒部３１の両面側に部分的に付着してもよい。部分的であっても、最大振幅点近傍の箇所に前記弾性材６を付着すれば、振動の大きな最大振幅点近傍を抑制することで、騒音低減効果を高めることができる。
また、図３のように、前記弾性材６を付着する箇所を１次曲げ振動の最大振幅点である腹の箇所にすれば、低周波の騒音を選択的に低減することができる。

なお、本発明において、部分的とは、軸方向のほか、環状又は周状に帯状であるほか、点状、千鳥状などの断続的である場合も含む。また、前記歯面側とは、前記薄肉撓み部分の円筒部３１及びダイアフラム部３２に関し、歯部３４の噛み合い歯が形成された面の側をいい、反歯面側とは、噛み合いが形成された面の反対側をいう。

前記弾性係数の低い材料としては、例えば、ゴム、樹脂、繊維等からなるシート状を含む制振性能、吸振性能を有する材料であることが好ましい。特に、前記弾性係数の低い材料は、前記薄肉撓み部分の振動に対応する共振周波数及び共鳴周波数を抑制することが可能な振動減衰性能を有する材料であることが好ましい。また、前記弾性係数の低い材料は、前記薄肉撓み部分に対して制振性能又は吸振性能を有する性状と質量をもつ材料であればよいが、比較的薄い材料であることが望ましい。弾性係数の低い材料は、円筒部３１とダイアフラム部３２に関し、同じ性状の材料を使用してもよいが、振動抑制や吸振性能などの目的に応じてそれぞれ異なる材料を使用してもよい。

前記弾性係数の低い材料としての弾性材６の付着は、機械的な固定手段のほか、流動性材料の塗布又は焼付け、加硫接着、固体材料やシート状、フィルム状材料のコーティングや接着剤による貼着などを含み、公知の適宜の手段又は方法により行うことができる。

（波動歯車装置の運転）
次に、波動歯車装置の運転について説明する。
波動発生器４がモータ等により駆動されると、図示しない入力軸を介して波動発生器４のカム部４１が回転する。これに伴い、可撓性歯車部材３の円筒部３１は、カム部４１によってベアリング５の弾性変形可能な外輪５３を介して楕円形に撓められて連続的に変形しつつ、可撓性歯車部材３の外歯が剛性歯車部材２の内歯との噛み合い位置を円周方向に順次移動する。

両歯車部材２，３の歯の噛み合い位置は、剛性歯車部材２と可撓性歯車部材３の歯数が、例えば、本実施の形態では４枚の差があるので、この歯数差に応じた相対回転が両歯車部材２，３の間に発生する。これにより、剛性歯車部材２側が相対回転しないように固定されているので、可撓性歯車部材３側から、前記両歯車部材２，３の歯数差に応じて大幅に減速された回転が図示しない出力側へ伝達されて出力される。

この波動歯車装置１の動作によれば、ベアリング５の弾性変形可能な外輪５３を介して可撓性歯車部材３の円筒部３１の弾性変形が行われるため、可撓性歯車部材３の外歯を剛性歯車部材２の内歯に向けて付勢する予圧が発生し、可撓性歯車部材３の外歯と剛性歯車部材２の内歯との遊びが吸収されるとともに、バックラッシの低減等の向上を図ることができる。

波動歯車装置１の運転中、可撓性歯車部材３と剛性歯車部材２との噛み合いにより、波動発生器４のカム部４１によって可撓性歯車部材３の前記薄肉撓み部分が楕円形に撓められて連続的に変形する際、振動を発生し、振動音が誘起される。この振動が共振点に達すると、前記薄肉撓み部分と周辺部材とがなす空間にて発生する共鳴によって騒音が発生する。
この場合、前記弾性係数の低い材料としての弾性材６を前記薄肉撓み部分である円筒部３１、ダイアフラム部３２に付着することにより、歯車駆動系における固有振動数の共振点を低い値に抑えることができ、振動の共振や前記薄肉撓み部分と周辺部材とがなす空間における共鳴によって発生する騒音を低減することができる。特に、振動の大きい１次曲げ振動の最大振幅点近傍に前記弾性材６を付着すれば、振動の大きな最大振幅点近傍を抑制することで、騒音低減効果を高めることができる。あるいは、１次曲げ振動の最大振幅点である腹の箇所に前記弾性材６を付着すれば、低周波の騒音を選択的に低減することができる。

本実施の形態において、前記振動を低減する手段としての弾性材６は、可撓性歯車部材３よりも前記したような弾性係数の低い材料から形成されることを特徴としている。また、前記弾性係数の低い材料の弾性係数は、前記可撓性歯車部材３の円筒部３１とダイアフラム部３２とから成る薄肉撓み部分の共振周波数を減衰する値に設定されることが好ましい。

前記弾性係数の低い材料は、前記したように前記薄肉撓み部分の歯面側に付着するだけでなく、反歯面側に付着してもよく、また、その両方に付着してもよい。
さらに、前記弾性係数の低い材料に代えて、フェルト等の織布又は不織布などからなる吸音性材料を用いることができる。本実施の形態では、図２及び図３において、この吸音性材料としての吸音材を前記弾性材と同じ符号６で図示している。以下、吸音材（６）として説明する。
前記吸音性材料としての吸音材（６）を貼着などの前記弾性材６と同様な方法により前記薄肉撓み部分の歯面側と反歯面側の少なくともどちらか一方に付着してもよい。このような吸音材（６）を付着することにより、前記薄肉撓み部分と周辺部材とがなす空間における共鳴によって発生する騒音を低減することができる。この吸音材（６）は、円筒部３１の部分のみに前記のように付着するものであってもよい。なお、図２及び図３において、吸音材は、弾性材と同じ符号６で示している。

前記薄肉撓み部分に対す前記弾性係数の低い材料としての弾性材６、又は吸音性材料としての吸音材（６）の取付方法としては、機械的な固着手段を用いてもよいし、接着剤によって固定してもよい。前記弾性材６、又は吸音材（６）を付着する簡単な構造によって前記薄肉撓み部分の共振周波数を減衰ないしは抑制し、あるいは吸音することで、共鳴等によって発生する騒音を低減し、撓み噛み合い式の波動歯車装置における運転の静粛性の向上と柔軟性を維持しつつ部材疲労の低減を図ることができる。

以上に説明したように、本発明の実施の形態によれば、波動歯車装置の可撓性歯車部材の薄肉部分である薄肉撓み部分の円筒部及びダイアフラム部に前記弾性係数の低い材料を付着した簡単な構造により、相手側の歯車との波動状の噛み合いで薄肉部分である円筒部及びダイアフラム部における曲げ振動が連続的に発生し、この連続的な曲げ振動により騒音を発生するような場合においても、前記弾性係数の低い材料の制振効果により、柔軟性を維持しつつ騒音と部材疲労を低減することができる。

また、本発明の実施の形態によれば、波動歯車装置の可撓性歯車部材に吸音性材料を付着した簡単な構造により、前記吸音性材料の吸音効果により、共鳴現象の発生を抑制し、柔軟性を維持しつつ騒音と部材疲労を低減することができる。
本発明は、前記弾性係数の低い材料及び前記吸音性材料を波動歯車装置の可撓性歯車部材に付着した簡単な構造により、ロボットの関節駆動部など、歯車駆動系として波動歯車装置を装備する使用部位、必要出力等の使用状況に応じて適宜最適な制振効果と共鳴等による騒音抑制効果を達成することができる。

本実施の形態に係る波動歯車装置の斜視断面図である。 本実施の形態に係る波動歯車装置の可撓性歯車部材の要部を示す概念図である。 本実施の形態に係る波動歯車装置の可撓性歯車部材の１次曲げ振動状態を示す概念図である。 従来技術に係る波動歯車装置の断面図である。 従来技術に係る波動歯車装置の側面図である。

符号の説明

１ 波動歯車装置
２ 剛性歯車部材
２１ 歯部（内歯）
２２ 剛性歯車取付部
３ 可撓性歯車部材（フレックススプライン）
３１ 内筒部
３２ ダイアフラム部
３３ 取付部
３４ 歯部（外歯）
４ 波動発生器
４１ カム部
５ ベアリング
６ 弾性材（弾性係数の低い材料）
（吸音材：吸音性材料）

Claims (6)

1. 可撓性歯車部材と剛性歯車部材とを有する波動歯車装置において、
   前記可撓性歯車部材の取付部と歯部との間に設けられる可撓性材料から形成され、かつ弾性変形可能なように薄肉に形成された薄肉撓み部分に当該可撓性歯車部材よりも弾性係数の低い材料を付着することを特徴とする波動歯車装置。
2. 前記弾性係数の低い材料は、
   前記薄肉撓み部分の前記歯部の歯面側又は反歯面側のいずれか一方に付着されることを特徴とする請求項１に記載の波動歯車装置。
3. 前記薄肉撓み部分は、円筒部と当該円筒部に連なるダイアフラム部とを有し、前記弾性係数の低い材料を前記円筒部と前記ダイアフラム部の少なくとも一方に付着することを特徴とする請求項１又は２に記載の波動歯車装置。
4. 前記弾性係数の低い材料は、
   前記可撓性歯車部材の前記円筒部及び前記ダイアフラム部に発生する振動の最大振幅点近傍に他の部分よりも多く付着されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の波動歯車装置。
5. 前記最大振幅点は、
   前記可撓性歯車部材の前記円筒部及び前記ダイアフラム部に発生する１次曲げ振動の腹部であることを特徴とする請求項４に記載の波動歯車装置。
6. 可撓性歯車部材と剛性歯車部材とを有する波動歯車装置において、
   可撓性歯車部材の取付部と歯部との間に設けられる可撓性材料から形成され、かつ弾性変形可能なように薄肉に形成された薄肉撓み部分に吸音性材料を付着することを特徴とする波動歯車装置。

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