JP5938933B2 - 波動歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、波動歯車装置に関するものである。

波動歯車装置は、撓み噛み合い式の歯車装置であって、小型で高効率の減速機として種々の用途に用いられている。この波動歯車装置は、内歯を有するサーキュラスプラインと、外歯を有し可撓性のあるフレックススプラインと、フレックススプラインを楕円形に撓ませて内歯と外歯を部分的に噛合させるウェーブジェネレータ（波動発生機構）とを備える。そして、回転駆動力を入力されるウェーブジェネレータが内歯と外歯の噛合部位を周方向に回転させ、これにより生じるサーキュラスプラインとフレックススプラインの差動により回転駆動力を減速している。

このような波動歯車装置として、例えば、特許文献１，２には、出力方式の異なる波動歯車装置が開示されている。特許文献１の波動歯車装置では、サーキュラスプラインをハウジングに固定し、出力軸と連結されたフレックススプラインから回転駆動力を出力している。一方で、特許文献２の波動歯車装置では、フレックススプラインの外歯と噛合し互いに異なる歯数の内歯を有する一組のサーキュラスプラインを備え、一方のサーキュラスプラインをハウジングに固定し、出力軸に連結された他方のサーキュラスプラインから回転駆動力を出力している。

特開２００９−２１４７７９号公報 特開２００５−１８８７４０号公報

ところで、波動歯車装置が用いられる用途の多様化に伴い、波動歯車装置には軽量化や製造コストの低減などの要請がある。このような事情から、例えば、フレックススプラインなどを樹脂材料により形成することが考えられる。しかしながら、特にサーキュラスプラインから回転駆動力を出力する方式では、フレックススプラインの外歯には各内歯から周方向に逆向きの荷重が加えられるため、単に材料を樹脂に置き換えたのではフレックススプラインの外歯の強度が不足するおそれがある。

本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、可撓性のあるフレックススプラインの外歯を樹脂材料で形成した場合において、必要な強度を確保することが可能な波動歯車装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１に係る発明によると、同軸上に配置され、互いに異なる歯数の内歯を有する第一部材および第二部材と、前記第一部材および前記第二部材の内側に配置され、樹脂材料により形成された外歯を有する可撓部材と、前記可撓部材を楕円形に撓ませて前記第一部材および前記第二部材の各前記内歯と前記外歯を部分的に噛合させるとともに、各前記内歯と前記外歯の噛合部位を周方向に回転させる波動発生機構と、を備え、前記第一部材および前記第二部材のうち少なくとも一方の前記内歯には、軸方向の中央側から端面側に向かって当該内歯の歯厚が漸減するように歯形の徐変領域が形成され、前記徐変領域は、前記波動発生機構が各前記内歯と前記外歯の噛合部位を周方向に回転させている際に、当該徐変領域が形成された前記内歯の軸方向の端面と前記徐変領域との境界部が前記外歯の歯面に非接触となるように形成される。

請求項２に係る発明によると、前記徐変領域は、凸曲面状に形成される。
請求項３に係る発明によると、前記第一部材および前記第二部材の各前記内歯は、前記可撓部材の前記外歯よりも剛性が高くなるように構成される。

請求項１に係る発明によると、波動歯車装置は、可撓部材の外歯を樹脂材料により形成されており、且つこの外歯に第一部材および第二部材の各内歯が噛合するものとしている。そのため、波動歯車装置の稼動状態では、可撓部材の外歯には各内歯から周方向に逆向きの荷重が加えられることになる。このとき、金属と比較して剛性の低い樹脂を材料とした外歯は、逆向きの荷重により弾性変形して歯面が湾曲する。そうすると、外歯が内歯から加えられる荷重は、内歯の軸方向の端部側に向かうに従って大きくなる。このような状態が外歯を樹脂製にした場合に外歯の強度が不足する一因であることが見出された。

そこで、本発明では、樹脂製の外歯と噛合する各内歯のうち少なくとも一方には、歯形の徐変領域を形成する構成としている。これにより、波動歯車装置の稼動状態において、外歯が逆向きの荷重により弾性変形しても、湾曲した歯面に内歯の徐変領域が接触することになる。従って、外歯の湾曲した歯面には徐変する内歯の歯厚に応じた荷重が加えられるので、外歯の歯幅方向（軸方向）に亘って加えられる荷重の均一化を図ることができる。このように、本発明により弾性変形する樹脂製の外歯において、内歯から局部的に大きな荷重が加えられることを抑制できるので、全体として必要な強度を確保することが可能となる。また、可撓部材の外歯に樹脂材料を用いることで、波動歯車装置の軽量化するとともに製造コストを低減できる。
また、徐変領域は、波動発生機構が各内歯と外歯の噛合部位を周方向に回転させている際に、即ち波動歯車装置の稼動状態であって回転駆動力を減速して伝達している際に、内歯の境界部が外歯の歯面に非接触となるように形成される。内歯の境界部は、内歯の端面と徐変領域との境界に位置するエッジ部である。弾性変形する外歯に対して、例えば内歯の端面と歯面のエッジ部が外歯の歯面に接触すると、このエッジ部と接触する外歯の歯面には局部的に大きな応力が発生することになる。そのため、波動歯車装置の稼働状態では、内歯の端面と徐変領域との境界部が外歯の歯面に非接触となるように、その徐変領域の形状を設定するようにする。これにより、内歯のエッジ部が弾性変形する外歯の歯面に接触しないので、外歯の歯面に局部的に大きな応力が発生することを防止できる。

請求項２に係る発明によると、内歯の徐変領域は、凸曲面状に形成されるようにしてもよいもよい。上述したように、波動歯車装置の稼動状態において、各内歯から逆向きの荷重を加えられる外歯は弾性変形して歯面が湾曲する。このとき、可撓部材の外歯は、その歯面が凹曲面状に湾曲することになる。そのため、本発明では、湾曲した外歯の歯面と接触する内歯の徐変領域を、この凹曲面状に沿うように凸曲面状に形成するようにしている。これにより、外歯の歯幅方向に亘って加えられる荷重をより確実に均一化することができる。

請求項３に係る発明によると、第一部材および第二部材の各内歯は、可撓部材の外歯よりも剛性が高くなるように構成されるようにしてもよい。第一部材および第二部材の各内歯を樹脂製とすると、回転駆動力を伝達する際に、各内歯も外歯からの反力を受けて弾性変形することになる。しかしながら、各内歯を可撓部材の外歯よりも剛性が高くなるように、例えば、硬質の樹脂材料（別種の硬質樹脂または補強材を加えて比較的剛性の高い樹脂材料）または構造的に剛性を向上させる形状とすることで、主として可撓部材の外歯が弾性変形することになる。つまり、波動歯車装置の駆動状態においては、主として外歯の歯面が湾曲するようにし、この湾曲形状に沿うように内歯に徐変領域を形成することで、外歯の歯幅方向に亘って加えられる荷重をより確実に均一化することができる。また、各内歯を樹脂製とすることで、金型を用いた成型により容易に徐変領域を形成することができるので、加工コストを低減することができる。

実施形態における波動歯車装置の断面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 サーキュラスプラインの内歯を示す拡大図である。 各歯の噛合状態および外歯に加えられる荷重を示す図である。 弾性変形した外歯を径方向から見た状態を示す拡大した模式図である。 図５におけるＢ部分をさらに拡大して示す模式図である。 図５におけるＣ部分をさらに拡大して示す模式図である。

＜実施形態＞
本発明の波動歯車装置を具体化した実施形態について図１〜図７を参照して説明する。本実施形態において、波動歯車装置１は、ハウジングＨに回転可能に支持された入力軸２から回転駆動力を入力し、所定の変速比により減速した後に出力軸３から出力する撓み噛み合い式の歯車装置である。ハウジングＨは、内側に変速機構を収容するための筒状部を有する固定部材である。入力軸２および出力軸３は、入出力軸線Ａｘ回りに相対回転可能な軸部材である。

（波動歯車装置１の構成）
波動歯車装置１は、図１に示すように、第一サーキュラスプライン１０と、第二サーキュラスプライン２０と、フレックススプライン３０と、波動発生機構４０と、センターシャフト５０を備える。第一サーキュラスプライン１０（本発明の「第一部材」に相当する）は、環状からなり、その中心軸線が入出力軸線Ａｘとなるようにボルト締結によりハウジングＨの筒状部に一体的に固定されている。また、第一サーキュラスプライン１０の内周面には図２に示すように複数の内歯１１が形成されている。第一サーキュラスプライン１０の歯数、内歯１１に係る形状、材料などの詳細については後述する。

第二サーキュラスプライン２０（本発明の「第二部材」に相当する）は、環状からなり、その中心軸線が入出力軸線Ａｘとなるように出力軸３の軸方向端部に形成されたフランジ部３ａに一体形成されている。これにより、第一サーキュラスプライン１０および第二サーキュラスプライン２０は、波動歯車装置１において同軸上に配置されていることになる。また、第二サーキュラスプライン２０の内周面には、第一サーキュラスプライン１０の内歯１１とは歯数の異なる複数の内歯２１が形成されている。第二サーキュラスプライン２０の歯数、内歯２１に係る形状、材料などの詳細については後述する。

フレックススプライン３０（本発明の「可撓部材」に相当する）は、第一サーキュラスプライン１０および第二サーキュラスプライン２０の内側に配置され、少なくとも径方向に可撓性のある環状部材である。また、フレックススプライン３０の外周面には、樹脂材料により形成された外歯３１が形成されている。フレックススプライン３０の外歯３１は、図１に示すように、内歯１１および内歯２１に跨る歯幅に設定され、本実施形態においては、第二サーキュラスプライン２０と等しい歯数に設定されている。この外歯３１の詳細については後述する。

波動発生機構４０は、フレックススプライン３０を内周側から楕円形に撓ませるとともに、楕円形をなすフレックススプライン３０の形状を回転させる機構である。この波動発生機構４０は、図１および図２に示すように、旋回プレート４１と、２つのローラ４２を有する。旋回プレート４１は、円盤状からなり、その中心軸線が入出力軸線Ａｘとなるように入力軸２の軸方向端部に一体的に形成されている。また、旋回プレート４１の端面には、入出力軸線Ａｘ方向に延びる２本の支持軸４１１が回転中心に対称な位置に形成されている。２つのローラ４２は、旋回プレート４１の２本の支持軸４１１にそれぞれ支持され、支持軸４１１を中心として回転可能となっている。

また、各ローラ４２は、その外周面がフレックススプライン３０の内周面を押圧し、フレックススプライン３０を楕円形に撓ませている。このとき、フレックススプライン３０は、楕円形の長軸方向に位置する部位の外歯３１が第一サーキュラスプライン１０の内歯１１および第二サーキュラスプライン２０の内歯２１と噛合している。即ち、フレックススプライン３０の外歯３１のうち、楕円形の短軸方向に位置する部位の外歯３１は、各内歯１１，２１から離脱している状態にある。このように、波動発生機構４０は、各内歯１１，２１と外歯３１を部分的に噛合させている。

さらに、また、入力軸２の回転に伴って波動発生機構４０の旋回プレート４１が回転すると、各ローラ４２がフレックススプライン３０を押圧する部位が移動することになる。これにより、波動発生機構４０は、楕円形をなすフレックススプライン３０の形状を回転させ、各内歯１１，２１と外歯３１の噛合部位を周方向に回転させている。

センターシャフト５０は、中実の軸部材であって、その中心軸線が入出力軸線Ａｘとなるように、軸方向一端が入力軸２の円筒内周面に嵌合して固定されている。センターシャフト５０の軸方向他端は、出力軸３のフランジ部３ａの内周側に挿入され、軸受５１を介して支持されている。これにより、入力軸２および出力軸３は、センターシャフト５０を介して相対回転可能に且つ相互に支持し合う構成とし、動作の安定化を図っている。

（内歯１１，２１、外歯３１などの詳細構成）
次に、入力側の第一サーキュラスプライン１０の内歯１１（以下、「入力側内歯１１」と称する）、出力側の第二サーキュラスプライン２０の内歯２１（以下、「出力側内歯２１」と称する）、およびフレックススプライン３０の外歯３１の詳細構成について説明する。第一サーキュラスプライン１０と第二サーキュラスプライン２０は、上述したように異なる歯数に設定されており、本実施形態においては第一サーキュラスプライン１０の歯数を「７２」、第二サーキュラスプライン２０の歯数を「７０」に設定している。また、フレックススプライン３０は、上述したように第二サーキュラスプライン２０と等しい歯数に設定され、本実施形態においては歯数を「７０」に設定されている。従って、本実施形態における波動歯車装置１の減速比は、「３５：１」となっている。

ここで、入力側内歯１１、出力側内歯２１、および外歯３１は、樹脂材料により形成されている。より具体的には、入力側内歯１１および出力側内歯２１は、初期的な変形を有しない樹脂材料として、例えば、ポリアセタールやポリアミドなどの汎用エンジニアプラスチックにより形成されている。また、第一サーキュラスプライン１０と第二サーキュラスプライン２０は、上述したように互いに異なる歯数に設定されるが、歯先円および歯底円が等しくなるように形成されている。このように入力側内歯１１および出力側内歯１２の諸元は相違するものであるが、本実施形態においては、これらを勘案してそれぞれを形成する樹脂材料を選択することによって、全体として両内歯１１，２１の剛性が等しくなるようにしている。

また、外歯３１は、初期撓みなどによる応力を考慮して、汎用エンジニアプラスチックの他に、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）や芳香族ポリアミドなどの高強度材である樹脂材料により形成されている。そのため、入力側内歯１１および出力側内歯２１は、可撓性のあるフレックススプライン３０の外歯３１よりも硬質の樹脂材料により形成され、当該外歯３１よりも剛性が高くなるように構成されている。

さらに、入力側内歯１１および出力側内歯２１には、入出力軸線Ａｘ方向（歯幅方向）の中央側から端面１１２，２１２側に向かって歯厚が漸減するように歯形の徐変領域１１４，２１４が形成されている。ここでは、入力側内歯１１の歯形の徐変領域１１４について、図３〜図７を参照して説明する。本実施形態では、出力側内歯２１の徐変領域２１４は入力側内歯１１の徐変領域と同様であるため、図３においては、入力側内歯１１の各部位（１１１〜１１５）に対応する出力側内歯２１の各部位（２１１〜２１５）を括弧内の符号で示している。

入力側内歯１１の徐変領域１１４は、図３の斜線部により示される領域であって、歯幅方向の中央側の歯厚Ｓ１よりも端面１１２側の歯厚Ｓ２の方が短くなるように形成されている。また、徐変領域１１４は、入力側内歯１１の歯面１１１との境界が滑らかとなるように接続され、且つ凸曲面状に形成されている。このような徐変領域１１４により、入力側内歯１１の歯先面１１３は、歯幅方向の端面１１２側に向かって先細りとなっている。

ここで、波動歯車装置１が入力側内歯１１および出力側内歯２１と外歯３１の噛合部位を周方向に回転させている状態、即ち入力軸２から回転駆動力が入力されて減速を行っている稼動状態において、当該噛合部位を含む断面は、図４のような模式図により示すことができる。このとき、外歯３１は、ハウジングＨに対して固定されている入力側内歯１１から図５の矢印Ｒ１方向の荷重が加えられる。また、外歯３１は、回転駆動力を出力側内歯２１に伝達するため、出力側内歯２１から図５の矢印Ｒ２方向の反力を受ける。矢印Ｒ１および矢印Ｒ２は、フレックススプライン３０の周方向に平行で且つ反対方向である。

そのため、波動歯車装置１の稼動状態における外歯３１は、図５に示すように、逆向きの荷重により弾性変形して歯面３１１が凹曲面状に湾曲する（図５では、便宜上、外歯３１の弾性変形の様子を誇張して示している）。また、本実施形態においては、上述したように、入力側内歯１１および出力側内歯２１は外歯３１よりも剛性が高くなるように構成されていることから、入力側内歯１１および出力側内歯２１よりも外歯３１が弾性変形する変形量が大きい。そして、湾曲した外歯３１の歯面３１１と接触する入力側内歯１１の徐変領域１１４を、歯面３１１の凹曲面状に沿うように凸曲面状に形成するようにしている。

さらに、入力側内歯１１の徐変領域１１４は、図６に示すように、波動歯車装置１の稼動状態において、入力側内歯１１の端面１１２と徐変領域１１４との境界部１１５が外歯３１の歯面３１１に非接触となるように形成される。そのため、例えば、徐変領域１１４は、境界部１１５付近の曲率が他の部位に比べて小さくなるように形成される。これにより、境界部１１５と歯面３１１との間には隙間Ｓ１が形成される。また、出力側内歯２１の徐変領域１１４においても同様であり、図７に示すように、徐変領域２１４は、出力側内歯２１の境界部２１５が外歯３１の歯面３１１に非接触となるように形成される。これにより、境界部２１５と歯面３１１との間に隙間Ｓ２が形成される。

（波動歯車装置１の作用および効果）
このような構成からなる波動歯車装置１では、外歯３１が入力側内歯１１および出力側内歯２１に跨って噛合するものとしている。そのため、樹脂材料により形成されている外歯３１は、波動歯車装置１の稼動状態においては周方向に逆向きに加えられる荷重により弾性変形して歯面３１１が湾曲することになる。そうすると、このような状態において、従来の波動歯車装置においては、図４のグラフにおける破線で示されるように、外歯が加えられる荷重は、各内歯の軸方向の端部側（外歯の軸方向の中央側）に向かうに従って大きくなる。そのため、外歯３１を樹脂製にした場合には、このように局部的に応力が高くなることが外歯３１の強度を不足させる一因であるものと考えられる。

そこで、本実施形態の波動歯車装置１は、樹脂製の外歯３１と噛合する入力側内歯１１および出力側内歯２１には、歯形の徐変領域１１４，２１４を形成する構成としている。これにより、波動歯車装置１の稼動状態において、外歯３１が逆向きの荷重により弾性変形しても、湾曲した歯面３１１に徐変領域１１４，２１４が接触することになる。従って、外歯３１の湾曲した歯面３１１には徐変する入力側内歯１１および出力側内歯２１の歯厚に応じた荷重が加えられるので、図４のグラフにおける実線で示されるように、従来における荷重のピーク値を低下させることができる。これにより、外歯３１の歯幅方向に亘って加えられる荷重の均一化を図ることができる。よって、全体として必要な強度を確保することが可能となる。また、フレックススプライン３０の外歯３１に樹脂材料を用いることで、波動歯車装置１の軽量化するとともに製造コストを低減できる。

また、徐変領域１１４，２１４は、凸曲面状に形成されるものとした。上述したように、波動歯車装置１の稼動状態において、入力側内歯１１および出力側内歯２１から逆向きの荷重を加えられる外歯３１は弾性変形して歯面３１１が凹曲面状に湾曲することになる。そのため、本実施形態では、湾曲した外歯３１の歯面３１１と接触する徐変領域１１４，２１４を、この凹曲面状に沿うように凸曲面状に形成するようにしている。これにより、外歯３１の歯幅方向に亘って加えられる荷重をより確実に均一化することができる。

さらに、徐変領域１１４，２１４は、波動歯車装置１の稼動状態において、境界部１１５，２１５が外歯３１の歯面３１１に非接触となるように形成されるものとした。境界部１１５は、入力側内歯１１の端面１１２と徐変領域１１４との境界に位置するエッジ部である。弾性変形する外歯３１に対して、例えばこのエッジ部が外歯３１の歯面３１１に接触してしまうと、外歯３１の歯面３１１には局部的に大きな応力が発生することがある。そこで、この境界部１１５，２１５が外歯３１の歯面３１１と非接触となるように、徐変領域１１４，２１４の形状を設定するようにすることにより、外歯３１の歯面３１１に局部的に大きな応力が発生することを確実に防止できる。

また、入力側内歯１１および出力側内歯２１は、フレックススプライン３０の外歯３１よりも剛性が高くなるように構成されるものとした。入力側内歯１１および出力側内歯２１は、樹脂材料により形成されると、回転駆動力を伝達する際に、外歯３１からの反力を受けて弾性変形することになる。しかしながら、各内歯１１，２１を外歯３１より硬質の樹脂材料とすることで、外歯３１よりも剛性が高くなるので、主として外歯３１が弾性変形して外歯３１の歯面３１１が湾曲するようにしている。そして、この湾曲形状に沿うように入力側内歯１１の徐変領域１１４および出力側内歯２１の徐変領域２１４を形成することで、外歯３１の歯幅方向に亘って加えられる荷重をより確実に均一化することができる。また、入力側内歯１１および出力側内歯２１を樹脂製とすることで、金型を用いた成型により容易に徐変領域１１４，２１４を形成することができるので、加工コストを低減することができる。

＜実施形態の変形態様＞
本実施形態において、徐変領域は、第一サーキュラスプライン１０の入力側内歯１１および第二サーキュラスプライン２０の出力側内歯２１に形成するものとした。これに対して、徐変領域は、何れか一方の内歯にのみ形成する構成としてもよい。また、入力側内歯１１および出力側内歯２１には、各歯面１１１，２１１における周方向の両側に徐変領域１１４，２１４を形成するようにした。これは、波動歯車装置１に入力される回転駆動力が反転した場合に対応することを目的とするものである。そのため、波動歯車装置１に入力される回転駆動力が一定の場合には、外歯３１と接触する側にのみ徐変領域１１４，２１４を形成する構成とすればよい。

また、徐変領域１１４，２１４は、凸曲面状とするものとしたが、歯厚が軸方向の中央側から端面側に向かって漸減するように形成されるものであればよく、例えば歯面１１１，２１１に対して傾斜する平面状の斜面としてもよい。

さらに、入力側内歯１１および出力側内歯２１は、外歯３１よりも硬質の樹脂材料により形成されるものとしたが、これは樹脂材料の材質そのものの剛性、または補強材などを加えることにより変化する剛性が含まれるものである。そして、入力側内歯１１および出力側内歯１２の剛性が外歯３１の剛性よりも高くなるように構成するためには、上記のように材料を変更する他に、構造的に剛性を向上させる形状としてもよい。

１：波動歯車装置、 ２：入力軸、 ３：出力軸、 ３ａ：フランジ部
１０：第一サーキュラスプライン（第一部材）
１１：（入力側）内歯、 １１１：歯面、 １１２：端面、 １１３：歯先面
１１４：徐変領域、 １１５：境界部
２０：第二サーキュラスプライン（第二部材）
２１：（出力側）内歯、 ２１１：歯面、 ２１１：端面、 ２１３：歯先面
２１４：徐変領域、 ２１５：境界部
３０：フレックススプライン（可撓部材）、 ３１：外歯、 ３１１：歯面
４０：波動発生機構、 ４１：旋回プレート、 ４１１：支持軸、 ４２：ローラ
５０：センターシャフト、 ５１：軸受
Ｈ：ハウジング、 Ａｘ：入出力軸線

Claims (3)

1. 同軸上に配置され、互いに異なる歯数の内歯を有する第一部材および第二部材と、
   前記第一部材および前記第二部材の内側に配置され、樹脂材料により形成された外歯を有する可撓部材と、
   前記可撓部材を楕円形に撓ませて前記第一部材および前記第二部材の各前記内歯と前記外歯を部分的に噛合させるとともに、各前記内歯と前記外歯の噛合部位を周方向に回転させる波動発生機構と、を備え、
   前記第一部材および前記第二部材のうち少なくとも一方の前記内歯には、軸方向の中央側から端面側に向かって当該内歯の歯厚が漸減するように歯形の徐変領域が形成され、
   前記徐変領域は、前記波動発生機構が各前記内歯と前記外歯の噛合部位を周方向に回転させている際に、当該徐変領域が形成された前記内歯の軸方向の端面と前記徐変領域との境界部が前記外歯の歯面に非接触となるように形成される波動歯車装置。
2. 請求項１において、
   前記徐変領域は、凸曲面状に形成される波動歯車装置。
3. 請求項１または２において、
   前記第一部材および前記第二部材の各前記内歯は、前記可撓部材の前記外歯よりも剛性が高くなるように構成される波動歯車装置。

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