JP6552745B2 - 波動発生器および波動歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、波動歯車装置の波動発生器に関する。さらに詳しくは、転動体として円筒形状の中空コロを用いたウエーブジェネレータを備えた波動発生器に関する。

従来の波動歯車装置においては、コロ軸受をウエーブベアリングとして用いた波動発生器が知られている。このような波動発生器は、特許文献１、２において提案されている。

一方、特許文献３、４には、中空形状をしたコロを用いたコロ軸受が提案されている。特許文献３に記載のコロ軸受においては、加わる遠心力、慣性力を低減するために、コロ軸受の中空形状のコロにおける内径Ｄｉと外径Ｄｏを、１／３≦Ｄｉ／Ｄｏ≦１／２に設定している。特許文献４に記載のコロ軸受においては、軸受の寿命がコロの内周面からの割れ寿命ではなく、転動面上の疲労剥離寿命となるようにするために、中空コロにおけるコロ平均径Ｄａとコロ内径ｄｗとを、０．２０≦ｄｗ／Ｄａ≦０．２７に設定している。

特開２０１１−１９０８２６号公報 実用新案登録第３１９６５７５号公報 特開２００２−２５０３４４号公報 特開２００６−２２６３５７号公報

従来の波動歯車装置の波動発生器において、そのウエーブベアリングの円筒コロは、中実形状（円柱形状）をしており、一般に高硬度鋼から形成されている。このため、円筒コロが転動する内外輪の軌道面部分も、降伏応力の高い高硬度鋼を使用する必要がある。

特許文献１では、内輪を省略し、波動発生器のウエーブプラグの楕円状外周面を内輪側軌道面として用いている。また、特許文献２では、内輪および外輪を省略して、ウエーブプラグの楕円状外周面を内輪側軌道面として用い、可撓性の外歯歯車の内周面を外輪側軌道面として用いている。この場合においては、現行の鋼製材料からなる剛性プラグおよび外歯歯車の降伏応力では、波動歯車装置の負荷トルクによるウエーブベアリングに作用するラジアル荷重に耐えることができないので、負荷トルクを制限する必要がある。あるいは、ラジアル荷重に耐えるように軌道面部分の硬度を高くする必要がある。

本発明の課題は、中空コロを備えたコロ軸受に着目し、鋼製あるいはステンレス鋼製のウエーブベアリングであっても、その軌道面部分の硬度を高める必要のない、波動歯車装置の波動発生器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の波動歯車装置の波動発生器は、
剛性のウエーブプラグと、
前記ウエーブプラグの楕円状外周面と、前記波動歯車装置の構成部品である可撓性の外歯歯車の内周面との間に装着されるウエーブベアリングと、
を有しており、
前記ウエーブベアリングは、内輪側軌道面および外輪側軌道面の間に、転動可能な状態で挿入されている複数個の転動体を備えており、
前記転動体は鋼製あるいはステンレス鋼製の円筒形状をした中空コロであり、
前記剛性プラグによって、円形の前記外歯歯車が予め定めた長径の楕円状形状に撓められた状態が形成されるように、前記中空コロの直径方向の剛性が設定されており、
前記中空コロの内径Ｄｉと外径Ｄｏの比Ｄｉ／Ｄｏの下限値は０．９５であることを特徴としている。

本発明の波動発生器のウエーブベアリングは鋼製あるいはステンレス鋼製の中空コロを用いている。波動歯車装置の負荷トルクによってウエーブベアリングにはラジアル荷重が作用する。剛性プラグの楕円状外周面の長径方向の両端部分に位置する円筒形状の中空コロは、ラジアル荷重によって撓み、楕円状に変形する。

楕円状に撓められた中空コロは、接触している内輪側軌道面あるいは外輪側軌道面に対する相対曲率半径が大きくなる。これにより、ヘルツの最大接触応力を低下させることができる。ヘルツ応力が低下するので、それに応じて、中空コロおよび内輪側軌道面部分、外輪側軌道面部分の硬度を下げることができる。また、中空コロを楕円状に撓めることによって生じるフープ応力を活用して、中空コロの疲労寿命も向上させることができる。

ここで、内径Ｄｉと外径Ｄｏの比Ｄｉ／Ｄｏの上限値は、以下の要因によって制限される。まず、この比を大きくすると中空コロの肉厚が薄くなり、その直径方向の剛性が低下する。波動歯車装置において、その可撓性の外歯歯車を所定の楕円状に撓めて剛性の内歯歯車に適切にかみ合う状態を形成する必要がある。したがって、剛性プラグによって、円形の外歯歯車が予め定めた長径の楕円状形状に撓められた状態が形成されるように、中空コロの直径方向の剛性が設定される。このような剛性が得られるように、比Ｄｉ／Ｄｏの上限値が制限される。

また、楕円状に撓められている中空コロの外周面の短径部の曲率半径が、楕円状に撓められている内輪側軌道面の長径部の曲率半径を超えないように、比Ｄｉ／Ｄｏの上限値が制限される。

次に、比Ｄｉ／Ｄｏが０．９５以上の大きな中空部を備えた中空コロは、薄肉の円筒形状になり、その端面の面積が小さくなり、実用上のコロ端面としての機能を果たせなくなることがある。そこで、中空コロは、その中空部における少なくとも両側の開口部を封鎖しているコロ端面部を有しており、コロ端面部は、中空コロの素材に比べて低弾性率、低摩擦係数の素材から形成されていることが望ましい。例えば、プラスチックなどの素材から中空コロの端面部を形成することができる。中空部全体を、プラスチックなどの素材によって充填することも可能である。

本発明を適用した波動歯車装置を示す概略正面図および概略縦断面図である。 図１の波動発生器を示す概略正面図および概略縦断面図である。 中空コロを示す端面図、縦断面図およびその撓み状態を示す説明図である。 中空コロの内径外径比と、中空コロおよび中実コロのヘルツ接触応力比との関係を示すグラフである。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した波動歯車装置の実施の形態を説明する。図１（ａ）は本実施の形態に係る波動歯車装置の概略正面図であり、図１（ｂ）はその概略縦断面図である。

波動歯車装置１は、剛性の内歯歯車２および剛性の内歯歯車３と、これらの内側に配置されている円筒状の可撓性の外歯歯車４と、この内側に嵌め込まれている楕円形輪郭の波動発生器５を有している。円形の外歯歯車４は、波動発生器５によって楕円形に撓められている。外歯歯車４の外歯における楕円形の長径Ｌｍａｘ方向の両端部分が、円環状の内歯歯車２、３のそれぞれの内歯に噛み合っている。例えば、内歯歯車３と外歯歯車４の歯数は同一であり、内歯歯車２の歯数は、それよりも２ｎ枚（ｎは正の整数）多い。

例えば、波動発生器５にはモータ軸などの不図示の高速回転入力軸が連結され、内歯歯車２が回転しないように固定され、内歯歯車３には不図示の出力軸が連結される。波動発生器５が回転すると、内歯歯車２と外歯歯車４のかみ合い位置が周方向に移動して、両歯車２、４の歯数差分に応じた相対回転（減速回転）が外歯歯車４に発生する。他方の内歯歯車３は外歯歯車４と一体回転し、内歯歯車３から減速回転が出力される。

図２（ａ）は波動発生器５を示す概略正面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線で切断した部分を示す概略縦断面図である。波動発生器５は、楕円形輪郭をした剛性のウエーブプラグ６とウエーブベアリング７を備えている。ウエーブベアリング７はコロ軸受けであり、鋼製あるいはステンレス鋼製のウエーブプラグ６の楕円状外周面８に形成した楕円形の内輪側軌道面９と、鋼製あるいはステンレス鋼製の外歯歯車４の内周面に形成した外輪側軌道面１０と、円環状のリテーナ１１と、複数個の円筒形状をした中空コロ１２とを備えている。中空コロ１２は鋼製あるいはステンレス鋼製である。リテーナ１１はプラスチック製あるいは金属製とすることができる。

ウエーブプラグ６の楕円状外周面８には、一定幅の内輪側軌道面９の両端の部分（波動発生器５の中心軸線５ａの方向の両側の部分）に、内輪側軌道面９よりも外周側に突出したフランジ部８ａが形成されている。内輪側軌道面９と外輪側軌道面１０の間に形成されるコロ軌道１３に、リテーナ１１が配置されている。リテーナ１１は、幅方向（中心軸線５ａの方向）の両端に形成されている円環状のフランジ１１ａ、１１ｂと、これらのフランジ１１ａ、１１ｂの間に、円周方向に一定の間隔で架け渡された複数の隔壁１１ｃとを備えている。隣接する隔壁１１ｃの間に、中空コロ１２を転動自在の状態で保持するポケットが形成され、それぞれのポケットに中空コロ１２が挿入されている。

ウエーブプラグ６には中空コロ１２をコロ軌道１３に挿入するためのコロ挿入孔１４が形成されている。コロ挿入孔１４には封鎖用プラグ１５が挿入され、これによってコロ挿入孔１４が封鎖されている。封鎖用プラグ１５は、締結用ボルト１６によって、ウエーブプラグ６に締結固定されている。コロ挿入孔１４はウエーブプラグ６における一方の楕円状端面６ｂにおいて、その短軸Ｌｍｉｎ上の位置に形成されている。

図３（ａ）は中空コロ１２の端面図であり、図３（ｂ）はその縦断面図である。また、図３（ｃ）はウエーブベアリング７の円周方向の各位置にある中空コロ１２の撓み状態を示す説明図である。

中空コロ１２は、大きな中空部１２ａを備えている。中空コロ１２の外径をＤｏ、その中空部１２ａの内径をＤｉとすると、内径Ｄｉと外径Ｄｏの比の下限値が０．９５に設定されている。
Ｄｉ／Ｄｏ ≧ ０．９５

中空コロ１２を薄肉で大中空径とすることにより、波動歯車装置１の負荷トルクによるラジアル荷重によって、図３（ｃ）に示すように、楕円形状の長径方向の両端部分に位置する中空コロ１２は楕円状に撓められたタイトな状態になる。

中空コロ１２の撓み変形により、ラジアル荷重が作用する中空コロ１２と、内輪側軌道面９および外輪側軌道面１０との間の相対曲率半径を大きくできる。これにより、ヘルツの最大接触応力を低減できる。ヘルツ応力が低下するので、中空コロ１２、内輪側軌道面９、外輪側軌道面１０の硬度を高める必要がなくなる。また、中空コロ１２を撓ませることにより生じるフープ応力を活用して、中空コロ１２の疲労寿命も向上させることができる。

本発明者等は、中空コロ１２の内径Ｄｉ／外径Ｄｏの比を変化させた場合における、中空コロ１２に作用するヘルツ応力と同一形状の中実コロに作用するヘルツ応力との比の変化を測定した。図４（ａ）は、ウエーブベアリング７の中空コロ１２、内輪側軌道面９および外輪側軌道面１０を鋼製とした場合の関係を示すグラフである。実線で示す曲線は、所定負荷トルクが作用する場合に得られた関係曲線であり、破線で示す曲線は、所定負荷トルクの１．５倍の負荷トルクが作用する場合に得られた関係曲線であり、一点鎖線で示す曲線は、所定負荷トルクの２倍の負荷トルクが作用する場合に得られた関係曲線である。

これらの関係曲線から分かるように、中空コロ１２の内径／外径比（Ｄｉ／Ｄｏ）が０．９５以上になると、ヘルツ応力比は略９５％以下となる。また、内径／外径比が０．９５よりも大きい領域では、ヘルツ応力比の減少割合が大幅に増加する。したがって、中空コロ１２を、内径／外径比が０．９５以上の薄肉で大中空径にすると、中実コロを転動体として用いる場合に比べて、大幅に、ヘルツ応力を低減できる。

図４（ｂ）は、ウエーブベアリング７の中空コロ１２のみをステンレス鋼製とし、内輪側軌道面９および外輪側軌道面１０を鋼製のままとした場合における内径／外径比とヘルツ応力比との関係を示すグラフである。この場合には、ヘルツ応力比は、鋼製の中空コロを用いる場合に比べて若干小さくなるが、図４（ｂ）の各関係曲線から分かるように、図４（ａ）の場合（鋼製の中空コロおよび鋼製の中実コロ）とほぼ同様な関係になる。

鋼製あるいはステンレス鋼製の中空コロ１２を用いることにより、ヘルツ応力を大幅に低減できる。したがって、中空コロ１２を鋼製あるいはステンレス鋼製とした場合において、内輪側軌道面９が形成されているウエーブプラグ６および外輪側軌道面１０が形成されている外歯歯車４の素材として、中空コロ１２の素材（鋼、ステンレス鋼）よりも低弾性率の素材、例えば、プラスチックから形成することが可能である。

次に、中空コロ１２の比Ｄｉ／Ｄｏの上限値は次の要因によって制限される。まず、ウエーブプラグ６によって、円形の外歯歯車４が予め定めた長径の楕円状形状に撓められて内歯歯車２、３に適切にかみ合う状態が形成されるように、中空コロの直径方向の剛性が設定されている。換言すると、このような剛性が得られるように、中空コロ１２の肉厚が設定される。この肉厚によって、中空コロ１２の比Ｄｉ／Ｄｏの上限値が制限される。

また、楕円状に撓められている中空コロ１２の外周面の短径部の曲率半径が、楕円状に撓められている内輪側軌道面９の長径部の曲率半径を超えないように、比Ｄｉ／Ｄｏの上限値が制限される。

ここで、図３（ｂ）に示すように、中空コロ１２は、薄肉の円筒形状をしているので、その両側の端面１２ｂ、１２ｃの面積が小さくなり、実用上のコロ端面としての機能を果たせなくなる可能性がある。本例では、中空コロ１２の両側の端に開口している開口部が、コロ端面部１２ｄ、１２ｅによって封鎖されている。コロ端面部１２ｄ、１２ｅは、中空コロ１２の素材に比べて低弾性率、低摩擦係数の素材、例えばプラスチックから形成されている。コロ端面部１２ｄ、１２ｅのそれぞれの外側端面がリテーナ１１に当接して、中空コロ１２の軸線方向の位置が規制される。

（その他の実施の形態）
なお、上記の実施の形態では、内輪をウエーブプラグに一体形成し、外輪を外歯歯車に一体形成している。別部材として、内輪あるいは外輪、または内輪および外輪の双方を配置してもよいことは勿論である。

また、上記の実施の形態は円筒状の外歯歯車を備えたフラット型と呼ばれる波動歯車装置に関するものである。本発明は、カップ形状の外歯歯車を備えたカップ型と呼ばれる波動歯車装置、シルクハット形状の外歯歯車を備えたシルクハット型と呼ばれる波動歯車装置にも同様に適用可能である。

Claims (6)

1. 波動歯車装置の波動発生器であって、
   剛性のウエーブプラグと、
   前記ウエーブプラグの楕円状外周面と、前記波動歯車装置の構成部品である可撓性の外歯歯車の内周面との間に装着されるウエーブベアリングと
   を有しており、
   前記ウエーブベアリングは、内輪側軌道面および外輪側軌道面の間に、転動可能な状態で挿入されている複数個の転動体を備えており、
   前記転動体は鋼製あるいはステンレス鋼製の円筒形状をした中空コロであり、
   前記ウエーブプラグによって、円形の前記外歯歯車が予め定めた長径の楕円状形状に撓められた状態が形成されるように、前記中空コロの直径方向の剛性が設定されており、
   前記中空コロの内径Ｄｉと外径Ｄｏの比Ｄｉ／Ｄｏの下限値は０．９５である波動歯車装置の波動発生器。
2. 請求項１において、
   前記ウエーブプラグの前記楕円状外周面の長径方向の両端において、当該長径を含む所定の角度範囲内に位置する前記中空コロは、前記内輪側軌道面および前記外輪側軌道面によって楕円状に撓められており、
   楕円状に撓められている前記中空コロの外周面の短径部の曲率半径が、楕円状に撓められている前記内輪側軌道面の長径部の曲率半径を超えないように、前記比Ｄｉ／Ｄｏの上限値が設定されている波動歯車装置の波動発生器。
3. 請求項１において、
   前記中空コロの中空部における少なくとも両側の開口部を封鎖しているコロ端面部を有しており、
   前記コロ端面部は、前記中空コロの素材に比べて低弾性率、低摩擦係数の素材から形成されている波動歯車装置の波動発生器。
4. 剛性の内歯歯車と、
   前記内歯歯車の内側に同軸に配置されている可撓性の外歯歯車と、
   請求項１に記載の波動発生器と
   を有している波動歯車装置。
5. 請求項４において、
   前記ウエーブプラグの前記楕円状外周面の長径の両端において、当該長径を含む所定の角度範囲内に位置する前記中空コロは、前記内輪側軌道面および前記外輪側軌道面によって楕円状に撓められており、
   楕円状に撓められている前記中空コロの外周面の短径部の曲率半径が、楕円状に撓められている前記内輪側軌道面の長径部の曲率半径を超えないように、前記比Ｄｉ／Ｄｏの上限値が設定されている波動歯車装置。
6. 請求項４において、
   前記中空コロの中空部における少なくとも両側の開口部を封鎖しているコロ端面部を有しており、
   前記コロ端面部は、前記中空コロの素材に比べて低弾性率、低摩擦係数の素材から形成されている波動歯車装置。

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