JP5178542B2 - 波動歯車装置の波動発生器 - Google Patents

Description

本発明は波動歯車装置の波動発生器に関し、更に詳しくは、波動歯車装置の長寿命化を達成するために不可欠な波動発生器の可撓性ベアリングの長寿命化を実現するための技術に関する。

波動歯車装置は、剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、この可撓性外歯歯車を楕円状に撓めて剛性内歯歯車に部分的に噛み合せる波動発生器とを備えている。波動発生器をモータなどによって回転すると、両歯車の噛み合い位置が周方向に移動し、両歯車の歯数差に応じて減速された相対回転が両歯車の間に発生する。一方の歯車を回転しないように固定しておくことにより、他方の歯車から減速回転を出力して負荷側に伝達することができる。

波動発生器は、モータ回転軸などに取り付けられる剛性プラグと、この剛性プラグの楕円形外周面に装着された可撓性ベアリングとを備えている。可撓性ベアリングは、一般のラジアル玉軸受と同一の構造であるが、内外輪が半径方向に撓み可能な可撓性軌道輪となっている。可撓性ベアリングは剛性プラグの楕円形外周面と可撓性外歯歯車の内周面の間に装着され、可撓性ベアリングによって、剛性プラグと可撓性外歯歯車は相対回転可能な状態に保持されている。

波動歯車装置は、その可撓性外歯歯車の形状に応じて、フラット型、カップ型およびシルクハット型と呼ばれる三種類の形式に分類することができる。特許文献１、２および３には、各形式の波動歯車装置が開示されている。
特開平０５−１７２１９５号公報 特開平０８−１６６０５２号公報 実開平０２−９１２３８号公報

波動歯車装置は、部品点数が少なく、回転伝達精度が高く、高減速比であるので、ロボットアームなどの駆動機構に組み込まれて使用される。近年においては、ロボットの高性能化、高速化に対する要求がますます強まっており、これに伴って、波動歯車装置の高性能化、特に長寿命化に対する要求が強まっている。波動歯車装置の高寿命化を達成するためには、可撓性外歯歯車を撓めながら回転運動を行う波動発生器の可撓性ベアリングの長寿命化が不可欠である。

しかしながら、今まで、内外輪が半径方向に撓みながら回転する可撓性ベアリングについては、その長寿命化に対する考察がなされていない。すなわち、波動歯車装置が実用化されて数十年経過するが、可撓性ベアリングの各部の寸法はその間変更されることなくそのまま使用されているに過ぎない。

本発明の課題は、波動歯車装置における半径方向に撓められながら回転する可撓性ベアリングを改良して、その長寿命化を達成することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、円環状の剛性内歯歯車の内側に配置された可撓性外歯歯車を非円形に撓めて前記剛性内歯歯車に部分的に噛み合わせ、これら両歯車の噛み合い位置を円周方向に移動させ、両歯車の間に両歯車の歯数差に起因する相対回転を発生させる波動歯車装置の波動発生器において、
剛性プラグと、
この剛性プラグの非円形外周面によって非円形に撓められている円環状の可撓性ベアリングとを有し、
前記可撓性ベアリングは、半径方向に撓み可能な円環状の可撓性外輪および可撓性内輪を備えた深みぞ玉軸受であり、
当該可撓性ベアリングのボール径Ｄａは、各型番の現行品寸法に対して５〜１５％大きい寸法に設定され、
内輪の軌道面半径ｒｏとボール径Ｄａの比ｒｏ／Ｄａ、および、外輪の軌道面半径ｒｉとボール径Ｄａの比ｒｉ／Ｄａは、共に、各型番の現行品における各比に対して、０．８〜２％小さくなるように、内外輪の軌道面半径ｒｏ、ｒｉの寸法が設定されていることを特徴としている。

ここで、ボール径Ｄａは、各型番の現行品寸法に対して１１％大きい寸法に設定されており、
比ｒｏ／Ｄａおよびｒｉ／Ｄａは、それぞれ、各型番の現行品における各比に対して、１．２％小さくなるように、内外輪の軌道面半径ｒｏ、ｒｉの寸法が設定されていることが望ましい。

また、一般的には、前記剛性プラグは楕円形外周面を備えており、前記可撓性ベアリングおよび前記外歯歯車は楕円形に撓められる。

本発明者等は、現行の波動歯車装置について、各型番および各形式のものについて、その波動発生器の可撓性ベアリングのボール径およびコンフォミティ（ｒｏ／Ｄａ、ｒｉ／Ｄａ）を変えて定格寿命の変化を調べた。この結果、ボール径を各型番の現行品寸法に対して５〜１５％大きくすると共に、コンフォミティを０．８％〜２％小さくなるように内外輪の軌道面半径ｒｏ、ｒｉの寸法を設定することにより、定格寿命を約５倍以上にできることが確認された。

特に、ボール径を各型番の現行品寸法に対して約１１％大きくすると共に、コンフォミティを約１．２％小さくなるように軌道面半径を設定すると、定格寿命を少なくとも６倍以上にできることが確認された。

したがって、本発明によれば、波動発生器の可撓性ベアリングの長寿命化を達成できるので、従来に比べて波動歯車装置の大幅な長寿命化を実現できる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した波動歯車装置における波動発生器の長寿命可撓性ベアリングについて説明する。

図１は本発明を適用可能な波動歯車装置の一例を示す説明図である。この図に示す波動歯車装置１はカップ型のものであり、剛性内歯歯車２と、この内側に配置されたカップ形状の可撓性外歯歯車３と、この可撓性外歯歯車３を楕円状に撓めて剛性内歯歯車２に部分的に噛み合せる波動発生器４とを備えている。両歯車２、３の歯数差は２ｎ枚（ｎは正の整数）であり、一般的には２枚とされており、剛性内歯歯車２の方が歯数が多い。

波動発生器４を不図示のモータなどによって高速回転すると、両歯車２、３の噛み合い位置が周方向に移動し、両歯車２、３の歯数差に応じて減速された相対回転が両歯車２、３の間に発生する。一方の歯車を回転しないように固定しておくことにより、他方の歯車から減速回転を出力して負荷側に伝達することができる。

波動発生器４は、剛性プラグ５と、この剛性プラグ５の楕円形外周面５ａに装着された可撓性ベアリング６とを備えている。剛性プラグ５はハブ７に一体回転するように取り付けられており、ハブ７がモータ回転軸などに連結固定される。可撓性ベアリング６は、一般の深みぞ玉軸受と同一の構造であるが、内輪１１および外輪１２が半径方向に撓み可能な可撓性軌道輪となっており、これらの間に形成されている軌道に沿ってボール１３が転動可能である。この可撓性ベアリング６は剛性プラグ５の楕円形外周面５ａと可撓性外歯歯車３の外歯形成部分の内周面３ａとの間に装着される。可撓性ベアリング６によって、剛性プラグ５と可撓性外歯歯車３は相対回転可能な状態に保持されている。

図２は可撓性ベアリング６の部分断面図である。この図に示すように、可撓性ベアリング６の基本構造は一般の深みぞ玉軸受と同一であるが、ボール径とコンフォミティ（内外輪の軌道面半径とボール径との比）が現行品寸法とは相違している。

図２に示すように、ボール径をＤａ、内輪１１の軌道面１１ａの軌道面半径をｒｏ、外輪１２の軌道面１２ａの軌道面半径をｒｉとすると、可撓性ベアリング６に組み込まれているボール１３のボール径Ｄａは、各型番の現行品のボール径に対して１１％大きい寸法に設定してある。また、内輪１１の側のコンフォミティ（内輪軌道面半径ｒｏとボール径Ｄａの比ｒｏ／Ｄａ）、および、外輪１２の側のコンフォミティ（外輪軌道面半径ｒｉとボール径Ｄａの比ｒｉ／Ｄａ）を、共に、各型番の現行品における各比に対して、１．２％小さくなるように、内外輪１１、１２の軌道面半径ｒｏ、ｒｉの寸法を設定してある。

ここで、現行品の各型番におけるボール径は次の通りであり、コンフォミティの最小値は５１％、最大値５３％、平均値は５２％である。
型番 ボール径（ｍｍ）
８ ２．０００
１１ ２．３８１
１４ ３．１７５
１７ ４．０００
２０ ４．７６３
２５ ５．５５６
３２ ７．１４４
４０ ９．５２５
４５ １１．０００
５０ １１．９０６
５８ １３．４９４
６５ １４．２８８
８０ １９．０５０
９０ ２１．４３１
１００ ２３．８１３

図３は、本発明者等が行った可撓性ベアリングの疲労寿命試験結果の一例を示すグラフである。疲労寿命試験は、現行品、比較例１、比較例２、および本発明品について同一条件で運転したときの破損時間を測定したものである。現行品の可撓性ベアリングのボール径、コンフォミティに対して、比較例１ではコンフォミティのみを１．２％小さくなるように内外の軌道面半径を設定し、比較例２では現行品に対してボール径のみを１１％大きくし、本発明品ではコンフォミティを１．２％小さくすると共にボール径を１１％大きくしてある。その他の条件は同一であり、使用材質も同一である。

このグラフにおいて、横線Ａは現行品の平均寿命であり、横線Ｂは比較例１の平均寿命であり、横線Ｃは比較例２の平均寿命であり、横線Ｄは本発明品の平均寿命である。比較例１、２では平均寿命がそれぞれ３．５倍、２．５倍に増加しているが、本発明品では平均寿命が６．８倍に増加している。したがって、本発明によれば、可撓性ベアリング６の寿命を大幅に長くすることが可能であることが分かる。

図４は、上記の４種類の可撓性ベアリングについての疲労寿命試験結果を、縦軸を破損率（％）、横軸を寿命（時間）とした座標軸を用いて表したグラフである。直線ａ〜ｄは、それぞれ、現行品、比較例１、比較例２および本発明品について求まった運転時間に対する破損率を示す近似直線である。本発明品は、現行品、比較例１、比較例２に対して、定格寿命Ｌ_１０が大幅に改善されることが分かる。また、比較例１、２に比べて、運転時間に対する破損率の増加率も少ない。

本発明者等の実験によれば、ボール径を５〜１５％大きくし、コンフォミティを０．８２％小さくすることにより、可撓性ベアリングの寿命を現行品に対して５倍以上の長寿命にできることが確認された。

本発明を適用可能なカップ型の波動歯車装置の説明図である。 図１の波動歯車装置の可撓性ベアリングの部分断面図である。 本発明による可撓性ベアリングの耐久試験結果を示すグラフである。 本発明による可撓性ベアリングの耐久試験結果を示すグラフである。

１ 波動歯車装置
２ 剛性内歯歯車
３ 可撓性外歯歯車
４ 波動発生器
５ 剛性プラグ
５ａ 楕円形外周面
６ 可撓性ベアリング
７ ハブ
１１ 内輪
１１ａ 軌道面
１２ 外輪
１２ａ 軌道面
１３ ボール
Ｄａ ボール径
ｒｏ 内輪の軌道面半径
ｒｉ 外輪の軌道面半径

Claims (3)

1. 円環状の剛性内歯歯車（２）の内側に配置された可撓性外歯歯車（３）を非円形に撓めて剛性内歯歯車（２）に部分的に噛み合わせ、これら両歯車（２，３）の噛み合い位置を円周方向に移動させ、両歯車（２，３）の間に両歯車（２，３）の歯数差に起因する相対回転を発生させる波動歯車装置（１）の波動発生器（４）であって、
   剛性プラグ（５）と、
   この剛性プラグ（５）の非円形外周面（５ａ）によって非円形に撓められている円環状の可撓性ベアリング（６）とを有し、
   この可撓性ベアリング（６）は、半径方向に撓み可能な円環状の可撓性外輪（１２）および可撓性内輪（１１）を備えた深みぞ玉軸受であり、
   この可撓性ベアリング（６）のボール径Ｄａは、各型番の現行品寸法に対して５〜１５％大きい寸法に設定され、
   可撓性内輪（１１）の軌道面半径ｒｏとボール径Ｄａの比ｒｏ／Ｄａ、および、可撓性外輪（１２）の軌道面半径ｒｉとボール径Ｄａの比ｒｉ／Ｄａは共に、各型番の現行品における各比に対して、０．８〜２％小さくなるように、これら内外輪の軌道面半径ｒｏ、ｒｉの寸法が設定されていることを特徴とする波動歯車装置（１）の波動発生器（４）。
2. ボール径Ｄａは、各型番の現行品寸法に対して１１％大きい寸法に設定されており、
   比ｒｏ／Ｄａおよびｒｉ／Ｄａは、それぞれ、各型番の現行品における各比に対して、１．２％小さくなるように、内外輪の軌道面半径ｒｏ、ｒｉの寸法が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の波動歯車装置（１）の波動発生器（４）。
3. 剛性プラグ（５）は楕円形外周面（５ａ）を備えており、
   可撓性ベアリング（６）および可撓性外歯歯車（３）は楕円形に撓められることを特徴とする請求項１または２に記載の波動歯車装置（１）の波動発生器（４）。

Images