JP5925387B2 - 波動発生器および波動歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、楕円状輪郭の波動発生器によって、円筒状の外歯歯車が楕円状に撓められて第１、第２内歯歯車に部分的にかみ合っている波動歯車装置に関する。さらに詳しくは、波動発生器の楕円状輪郭の改良に関する。

フラット型の波動歯車装置は、一般に、回転しないように固定された静止側内歯歯車と、回転駆動可能な駆動側内歯歯車と、半径方向に撓み可能な円筒状の外歯歯車と、外歯歯車を楕円状に撓めている波動発生器を備えている。波動発生器によって楕円状に撓められた外歯歯車は、楕円形状の長径方向の両端部において、その歯筋方向の一方の側の外歯部分が静止側内歯歯車にかみ合い、その歯筋方向の他方の側の外歯部分が駆動側内歯歯車にかみ合う。外歯歯車の歯数は駆動側内歯歯車の歯数と同一であり、静止側内歯歯車の歯数よりも２枚少ない。

回転入力要素である波動発生器が回転すると、外歯歯車と静止側内歯歯車のかみ合い位置、および外歯歯車と駆動側内歯歯車のかみ合い位置が円周方向に移動する。波動発生器が１回転すると、外歯歯車は、静止側内歯歯車に対して歯数差に対応する量だけ回転する。駆動側内歯歯車は外歯歯車と同一歯数であるので、外歯歯車と一体となって回転する。波動発生器の回転は歯数差に応じて減速され、減速回転出力要素である駆動側内歯歯車から減速回転が出力される。

フラット型の波動歯車装置の波動発生器は、楕円状輪郭の剛性体からなる波動発生器プラグを備え、この波動発生器プラグの外周面には、可撓性の内外輪を備えた波動発生器ベアリングが装着されている。特許文献１には、静止側内歯歯車および駆動側内歯歯車のそれぞれに対応する外歯歯車の部分を支持している２列のボールを備えた波動発生器ベアリングが記載されている。

特許文献２には、波動発生器プラグが軸線方向に分割された一対の楕円体から形成され、各楕円体がそれぞれ波動発生器ベアリングを介して外歯歯車を楕円状に撓めている波動発生器が記載されている。一対の楕円体は、同一形状であるが、所定角度だけ相互に回転した状態に設定されている。

特許文献３には、同一形状の第１カムおよび第２カムから波動発生器プラグが構成され、第１、第２カムが相互の９０度回転した状態に組み付けられている波動発生器が記載されている。

特許文献４には、本発明者等によって、波動発生器プラグの楕円状輪郭を規定するプラグ形状曲線が提案されている。

特開平５−１３２２９２号公報 実開平１−１２２５４３号公報 特開２０１３−１５１９１号公報 特開平１１−３５１３４１号公報

従来のフラット型の波動歯車装置では、波動発生器の楕円状の輪郭形状を規定する形状曲線として単一の曲線が用いられている。すなわち、外歯歯車は、歯筋方向の各部分において同一の楕円形状に撓められて、静止側内歯歯車および駆動側内歯歯車の双方にかみ合わされる。あるいは、特許文献２、３に記載されているように、同一の楕円形状の位相を変えた状態で、外歯歯車を静止側および駆動側内歯歯車にかみ合わせるようにしている。

相対回転する静止側内歯歯車および外歯歯車と、一体となって回転する駆動側内歯歯車および外歯歯車とでは、それらの間のかみ合い状態、応力発生状態等の機械的あるいは力学的な特徴が相違する。これらの相違を考慮せずに、外歯歯車をその歯筋方向において同一の楕円状曲線となるように撓めた場合には、静止側内歯歯車にかみ合う外歯歯車の部分に発生する応力分布状態、発生応力の大きさ、変形状態は、駆動側内歯歯車にかみ合う外歯歯車の部分に発生する応力分布状態、発生応力の大きさ、変形状態とは大きく相違する。

このため、波動発生器において、静止側内歯歯車にかみ合っている外歯歯車の部分を支持している波動発生器ベアリングと、駆動側内歯歯車にかみ合っている外歯歯車の部分を支持している波動発生器ベアリングとの間では、ボール荷重分布が大きく異なり、ボール荷重の最大値も大きくなる。この結果、波動発生器ベアリングの寿命が低下するおそれがある。

従来においては、このような点については考慮されていない。波動発生器の輪郭形状を規定する形状曲線として、静止側内歯歯車にかみ合わせるために外歯歯車を撓めるのに適した形状曲線と、駆動側内歯歯車にかみ合わせるために外歯歯車を撓めるのに適した形状曲線とを備えた波動発生器を用いることについては何ら着目されておらず、そのような提案もない。

本発明の課題は、静止側内歯歯車とのかみ合いに適した形状に外歯歯車を撓めることができ、かつ、駆動側内歯歯車とのかみ合いに適した形状に外歯歯車を撓めることのできる輪郭形状を備えた、波動歯車装置の波動発生器を提供することにある。

また、本発明の課題は、かかる新しい波動発生器を備えた波動歯車装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、半径方向に撓み可能な円筒状の外歯歯車を、楕円状に撓めて、剛性の第１内歯歯車および当該第１内歯歯車の隣に同軸に配置された剛性の第２内歯歯車の双方に部分的にかみ合わせる、波動歯車装置の波動発生器において、
前記外歯歯車の歯筋方向の一方の側の第１外歯歯車部分を、楕円状に撓めて前記第１内歯歯車に部分的に噛み合わせる第１波動発生器部分と、
前記外歯歯車の歯筋方向の他方の側の第２外歯歯車部分を、楕円状に撓めて前記第２内歯歯車にかみ合わせる第２波動発生器部分と、
を有し、
前記第１内歯歯車の歯数が、ｎを正の整数とすると、前記外歯歯車の歯数よりも２ｎ枚多く、前記第２内歯歯車の歯数が前記外歯歯車の歯数と同一であるとすると、
前記第１波動発生器部分は第１楕円状曲線によって規定される楕円状輪郭を備え、前記第２波動発生器部分は第２楕円状曲線によって規定される楕円状輪郭を備え、
前記第１楕円状曲線の周長は、前記第２楕円状曲線の周長と同一であり、
前記第１楕円状曲線の長径は、前記第２楕円状曲線の長径と同一であり、
前記第１楕円状曲線の短径は、前記第２楕円状曲線の短径より短いことを特徴としている。

一般的には、前記第１波動発生器部分は、第１楕円状外周面を備えた第１波動発生器プラグと、当該第１波動発生器プラグの前記第１楕円状外周面に装着されて楕円状に撓められている第１波動発生器ベアリングとを備えている。同様に、前記第２波動発生器部分は、第２楕円状外周面を備えた第２波動発生器プラグと、当該第２波動発生器プラグの前記第２楕円状外周面に装着されて楕円状に撓められている第２波動発生器ベアリングとを備えている。この場合には、第１楕円状曲線によって第１波動発生器部分の第１楕円状外周面が規定され、第２楕円状曲線によって第２波動発生器部分の第２楕円状外周面が規定される。

次に、本発明の波動歯車装置は、
剛性の内歯歯車、前記内歯歯車の内側に配置された半径方向に撓み可能な外歯歯車、および、前記外歯歯車を楕円状に撓めて前記内歯歯車に対して部分的にかみ合わせる波動発生器を有し、
前記内歯歯車は、第１内歯歯車および当該第１内歯歯車の隣に同軸に配置された第２内歯歯車を備え、
前記外歯歯車は、その歯筋方向の一方の側に前記第１内歯歯車にかみ合い可能な第１外歯歯車部分を備え、前記歯筋方向の他方の側に前記第２内歯歯車にかみ合い可能な第２外歯歯車部分を備え、
前記第１内歯歯車の歯数は、ｎを正の整数とすると、前記外歯歯車の歯数よりも２ｎ枚多く、前記第２内歯歯車の歯数は、前記外歯歯車の歯数と同一であり、
前記波動発生器は、その軸線方向の一方の側に前記第１外歯歯車部分を楕円状に撓めて前記第１内歯歯車に部分的に噛み合わせている第１波動発生器部分を備え、前記軸線方向の他方の側に前記第２外歯歯車部分を楕円状に撓めて前記第２内歯歯車に部分的にかみ合わせている第２波動発生器部分を備え、
前記第１波動発生器部分は第１楕円状曲線によって規定される楕円状輪郭を備え、前記第２波動発生器部分は第２楕円状曲線によって規定される楕円状輪郭を備え、
前記第１楕円状曲線の周長は、前記第２楕円状曲線の周長と同一であり、
前記第１楕円状曲線の長径は、前記第２楕円状曲線の長径と同一であり、
前記第１楕円状曲線の短径は、前記第２楕円状曲線の短径より短いことを特徴としている。

波動歯車装置を減速機として用いる場合には、一般に、波動発生器は回転入力要素とされ、前記第１内歯歯車は回転しないように固定される静止側内歯歯車とされ、前記第２内歯歯車は回転可能な駆動側内歯歯車である減速回転出力要素とされる。

本発明の波動発生器は第１楕円状曲線に沿うように第１外歯歯車部分を撓め、第２楕円状曲線に沿うように第２外歯歯車部分を撓めるようにしている。これにより、第２内歯歯車と第２外歯歯車部分の間のかみ合い位置が、第１内歯歯車と第１外歯歯車部分の間のかみ合い位置に比べて、楕円状曲線の長径位置の側に移動する。

同一の楕円状曲線に沿うように第１、第２外歯歯車部分を撓める場合には、第１内歯歯車と第１外歯歯車部分のかみ合い状態が良好であっても、第２内歯歯車と第２外歯歯車部分の間のかみ合いにおいて、歯先干渉などの不具合が生ずるおそれがある。本発明によれば、このような弊害を防止あるいは抑制できるので、第１内歯歯車と第１外歯歯車部分の間のかみ合い状態、および、第２内歯歯車と第２外歯歯車部分の間のかみ合い状態の双方を、良好な状態に維持できる。

また、本発明によれば、単一の楕円状曲線によって輪郭形状が規定される波動発生器を用いる場合に比べて、第１内歯歯車にかみ合う第１外歯歯車部分を支持する第１波動発生器ベアリングの荷重分布と、第２内歯歯車にかみ合う第２外歯歯車部分を支持する第２波動発生器ベアリングの荷重分布との差異を抑制できる。これに加え、双方の荷重分布を均一化でき、最大発生応力も低減できる。これにより、波動発生器ベアリングの寿命の向上を図ることができる。

本発明を適用したフラット型の波動歯車装置を示す斜視図である。 （ａ）は図１の波動歯車装置の縦断面図であり、（ｂ）はその分解斜視図である。 （ａ）は図１の波動歯車装置の波動発生器プラグの楕円状外周面を規定する第１、第２楕円状曲線の一例を示すグラフであり、（ｂ）は波動発生器プラグの楕円状外周面形状を模式的に示す説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したフラット型の波動歯車装置の実施の形態を説明する。図１は、本実施の形態に係るフラット型の波動歯車装置を示す斜視図である。図２（ａ）はその縦断面図であり、図２（ｂ）はその分解斜視図である。これらの図を参照して、フラット型の波動歯車装置の全体構成を説明する。

波動歯車装置１は、円環状をした剛性の第１内歯歯車２Ｓおよび円環状をした剛性の第２内歯歯車２Ｄを備えている。第１、第２内歯歯車２Ｓ、２Ｄは、中心軸線１ａの方向に僅かの隙間を開けて、同軸状態で並列配置されている。第１内歯歯車２Ｓは回転しないように不図示の固定側部材に固定される静止側内歯歯車である。第２内歯歯車は回転可能な駆動側内歯歯車である。

静止側の第１内歯歯車２Ｓおよび駆動側の第２内歯歯車２Ｄの内側には、同軸状態で、半径方向に撓み可能な円筒状の外歯歯車４が配置されている。外歯歯車４は楕円状に撓められると、その楕円形状の長径位置の両端部分において第１内歯歯車２Ｓおよび第２内歯歯車２Ｄにかみ合い可能である。第１内歯歯車２Ｓの歯数は、ｎを正の整数とすると、外歯歯車４の歯数よりも２ｎ枚多く、第２内歯歯車２Ｄの歯数は、外歯歯車４の歯数は同一である。一般的には、第１内歯歯車２Ｓの歯数は外歯歯車４の歯数よりも２枚（ｎ＝１）多い。

外歯歯車４において、その歯幅方向（中心軸線１ａの方向）における中心位置を境にして、第１内歯歯車２Ｓの内歯３Ｓに対峙している部分が第１外歯歯車部分４Ｓであり、第２内歯歯車２Ｄの内歯３Ｄに対峙している部分が第２外歯歯車部分４Ｄである。換言すると、外歯歯車４の各外歯４ａは、その歯幅方向における中心位置を境にして、第１内歯歯車２Ｓの内歯３Ｓに対峙している外歯部分と、第２内歯歯車２Ｄの内歯３Ｄに対峙している外歯部分を備えている。

外歯歯車４の内側には波動発生器５が装着されている。外歯歯車４は波動発生器５によって楕円状に撓められて、その楕円形状の長径方向の両端部において、第１内歯歯車２Ｓおよび第２内歯歯車２Ｄにかみ合っている。図２（ａ）の縦断面図は、中心軸線１ａおよび楕円状に撓められた外歯歯車の長径を含む平面で切断した場合のものである。

波動発生器５は、中心軸線１ａの方向における一方の側に配置した第１波動発生器部分５Ｓと、他方の側に配置した第２波動発生器部分５Ｄを備えている。第１波動発生器部分５Ｓは、第１外歯歯車部分４Ｓの内側に装着され、当該第１外歯歯車部分４Ｓを楕円状に撓めて第１内歯歯車２Ｓに対して部分的に噛み合わせている。第２波動発生器部分５Ｄは、第２外歯歯車部分４Ｄの内側に装着され、当該第２外歯歯車部分４Ｄを楕円状に撓めて第２内歯歯車２Ｄに対して部分的にかみ合わせている。

第１波動発生器部分５Ｓは、第２波動発生器部分５Ｄと共通の剛性の波動発生器プラグ６と、この波動発生器プラグ６の楕円状外周面に装着した第１波動発生器ベアリング７Ｓを備えている。同様に、第２波動発生器部分５Ｄは、波動発生器プラグ６と、この楕円状外周面に装着した第２波動発生器ベアリング７Ｄとを備えている。波動発生器プラグ６の楕円状外周面は、中心軸線１ａの方向における中心位置を境として、一方の側が第１楕円状曲線Ｃ１（図３（ａ）参照）によって規定される第１楕円状外周面６Ｓとなっており、他方の側が第２楕円状曲線Ｃ２（図３（ａ）参照）によって規定される第２楕円状外周面６Ｄとなっている。

第１波動発生器ベアリング７Ｓは、半径方向に撓み可能な内輪８ａおよび外輪８ｂと、これらの間に形成された円環状の軌道内に転動可能な状態で装着された複数個のボール８ｃを備えている。第１波動発生器ベアリング７Ｓは波動発生器プラグ６の第１楕円状外周面６Ｓに装着されて楕円状に撓められている。楕円状に撓められた外輪８ｂによって、第１外歯歯車部分４Ｓが略第１楕円状曲線Ｃ１に沿って楕円状に撓められている。

同様に、第２波動発生器ベアリング７Ｄは、半径方向に撓み可能な内輪９ａおよび外輪９ｂと、これらの間に形成された円環状の軌道内に転動可能な状態で装着された複数個のボール９ｃを備えている。第２波動発生器ベアリング７Ｄは波動発生器プラグ６の第２楕円状外周面６Ｄに装着されて楕円状に撓められている。楕円状に撓められた外輪９ｂによって、第２外歯歯車部分４Ｄが略第２楕円状曲線Ｃ２に沿って楕円状に撓められている。

次に、図３を参照して、第１楕円状曲線Ｃ１および第２楕円状曲線Ｃ２について説明する。図３（ａ）は波動発生器の第１、第２楕円状曲線Ｃ１、Ｃ２を示すグラフである。図示のグラフにおいて、横軸は波動発生器プラグ６のプラグ長径位置からの角度を示し、縦軸は、波動発生器プラグ６の動径Ｒを、プラグ長径ＲＬに対する割合で示してある。図３（ｂ）は、これらの曲線Ｃ１、Ｃ２によって規定される波動発生器プラグ６の第１、第２楕円状外周面６Ｓ、６Ｄを模式的に示す説明図である。

これらの図から分かるように、本例では、波動発生器プラグ６の第１、第２楕円状外周面６Ｓ、６Ｄの長径位置が同一位置となるように設定されている。長径位置が異なる位置となるようにすることも可能である。例えば、特許文献３に記載されているように、第１楕円状外周面６Ｓの長径位置が第２楕円状外周面６Ｄの短径位置となるようにすることも可能である。

第１楕円状外周面６Ｓを規定している第１楕円状曲線Ｃ１と、第２楕円状外周面６Ｄを規定している第２楕円状曲線Ｃ２は、次の条件１〜３を満足するように設定されている。
（条件１）第１、第２楕円状曲線Ｃ１、Ｃ２の周長は同一である。
（条件２）第１、第２楕円状曲線Ｃ１、Ｃ２の長径ＲＬ１、ＲＬ２は同一のＲＬである。
（条件３）第１楕円状曲線Ｃ１の短径寸法ＲＳ１は第２楕円状曲線Ｃ２の短径寸法ＲＳ２より短い。

例えば、これらの条件を満足するように、特許文献４に記載されている波動発生器プラグの形状曲線を規定している各係数を設定することで、第１、第２楕円状曲線Ｃ１、Ｃ２を規定することができる。具体的な第１、第２楕円状曲線Ｃ１、Ｃ２は、波動歯車装置１の型番、減速比、作用負荷などに応じて、ボール荷重分布のバラツキおよび等価ボール荷重が最小となるように、個別に設定することができる。

このように構成したフラット型の波動歯車装置１を減速機として用いる場合には、一般に、波動発生器５は回転入力要素とされ、不図示のモーター軸等に固定される。第２内歯歯車２Ｄは不図示の被駆動部材に固定される減速回転出力要素とされる。波動発生器５が回転すると、第１外歯歯車部分４Ｓと第１内歯歯車２Ｓのかみ合い位置、および第２外歯歯車部分４Ｄと第２内歯歯車２Ｄのかみ合い位置が円周方向に移動する。波動発生器５が１回転すると、外歯歯車４は、第１内歯歯車２Ｓに対して歯数差に対応する角度だけ回転する。第２内歯歯車２Ｄは外歯歯車４と同一歯数であるので、外歯歯車４と一体となって回転する。したがって、波動発生器５の回転が歯数差に応じた減速比で減速され、第２内歯歯車２Ｄから減速回転が出力される。なお、第１内歯歯車を駆動側内歯歯車とし、第２内歯歯車を静止側内歯歯車とすることもできる。

本例の波動歯車装置１では、波動発生器５の第１波動発生器部分５Ｓおよび第２波動発生器部分５Ｄの楕円状外周面の形状が規定されている。従来における単一の楕円状曲線によって規定される外周面を備えた波動発生器を用いた場合に比べて、第１内歯歯車２Ｓと第１外歯歯車部分４Ｓの間のかみ合い状態、および、第２内歯歯車２Ｄと第２外歯歯車部分４Ｄの間のかみ合い状態の双方を、良好な状態に維持できる。

また、第１、第２波動発生器部分の波動発生器ベアリング７Ｓ、７Ｄのボール分布荷重の均一化および等価ボール荷重の低減化を図ることができる。これにより、波動発生器ベアリング７Ｓ、７Ｄの寿命を延ばすことができ、波動発生器５の長寿命化、したがって、波動歯車装置１の長寿命化を達成できる。

なお、上記の例は波動発生器ベアリングとしてボールベアリングを用いているが、ニードルベアリング、ローラーベアリング等を用いた場合についても本発明を同様に適用可能である。

Claims (4)

1. 半径方向に撓み可能な円筒状の外歯歯車（４）を、楕円状に撓めて、剛性の第１内歯歯車（２Ｓ）および当該第１内歯歯車（２Ｓ）の隣に同軸に配置された剛性の第２内歯歯車（２Ｄ）の双方に部分的にかみ合わせる、波動歯車装置（１）の波動発生器（５）において、
   前記外歯歯車（４）の歯筋方向の一方の側の第１外歯歯車部分（４Ｓ）を、楕円状に撓めて前記第１内歯歯車（２Ｓ）に部分的に噛み合わせる第１波動発生器部分（５Ｓ）と、
   前記外歯歯車（４）の歯筋方向の他方の側の第２外歯歯車部分（４Ｄ）を、楕円状に撓めて前記第２内歯歯車（２Ｄ）にかみ合わせる第２波動発生器部分（５Ｄ）と、
   を有し、
   前記第１内歯歯車（２Ｓ）の歯数が、ｎを正の整数とすると、前記外歯歯車（４）の歯数よりも２ｎ枚多く、前記第２内歯歯車（２Ｄ）の歯数が前記外歯歯車（４）の歯数と同一であるとすると、
   前記第１波動発生器部分（５Ｓ）は第１楕円状曲線（Ｃ１）によって規定される楕円状輪郭を備え、前記第２波動発生器部分（５Ｄ）は第２楕円状曲線（Ｃ２）によって規定される楕円状輪郭を備え、
   前記第１楕円状曲線（Ｃ１）の周長は、前記第２楕円状曲線（Ｃ２）の周長と同一であり、
   前記第１楕円状曲線（Ｃ１）の長径は、前記第２楕円状曲線（Ｃ２）の長径と同一であり、
   前記第１楕円状曲線（Ｃ１）の短径は、前記第２楕円状曲線（Ｃ２）の短径より短いことを特徴とする波動歯車装置（１）の波動発生器（５）。
2. 前記第１波動発生器部分（５Ｓ）は、前記第１楕円状曲線（Ｃ１）によって規定される第１楕円状外周面（６Ｓ）を備えた第１波動発生器プラグ（６）と、当該第１波動発生器プラグ（６）の前記第１楕円状外周面（６Ｓ）に装着されて楕円状に撓められている第１波動発生器ベアリング（７Ｓ）とを備え、
   前記第２波動発生器部分（５Ｄ）は、前記第２楕円状曲線（Ｃ２）によって規定される第２楕円状外周面（６Ｄ）を備えた第２波動発生器プラグ（６）と、当該第２波動発生器プラグ（６）の前記第２楕円状外周面（６Ｄ）に装着されて楕円状に撓められている第２波動発生器ベアリング（７Ｄ）とを備えている請求項１に記載の波動歯車装置（１）の波動発生器（５）。
3. 剛性の内歯歯車（２Ｓ、２Ｄ）、前記内歯歯車（２Ｓ、２Ｄ）の内側に配置された半径方向に撓み可能な外歯歯車（４）、および、前記外歯歯車（４）を楕円状に撓めて前記内歯歯車（２Ｓ、２Ｄ）に対して部分的にかみ合わせる波動発生器（５）を有し、
   前記内歯歯車は、第１内歯歯車（２Ｓ）および当該第１内歯歯車（２Ｓ）の隣に同軸に配置された第２内歯歯車（２Ｄ）を備え、
   前記外歯歯車（４）は、その歯筋方向の一方の側に前記第１内歯歯車（２Ｓ）にかみ合い可能な第１外歯歯車部分（４Ｓ）を備え、前記歯筋方向の他方の側に前記第２内歯歯車（２Ｄ）にかみ合い可能な第２外歯歯車部分（４Ｄ）を備え、
   前記第１内歯歯車（２Ｓ）の歯数は、ｎを正の整数とすると、前記外歯歯車（４）の歯数よりも２ｎ枚多く、前記第２内歯歯車（２Ｄ）の歯数は、前記外歯歯車（４）の歯数と同一であり、
   前記波動発生器（５）は、請求項１または２に記載の波動発生器であることを特徴とする波動歯車装置（１）。
4. 前記第１内歯歯車（２Ｓ）は回転しないように固定される静止側内歯歯車であり、
   前記第２内歯歯車（２Ｄ）は回転可能な駆動側内歯歯車である請求項３に記載の波動歯車装置（１）。

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