JPWO2018025296A1 - 波動発生器および波動歯車装置 - Google Patents

波動発生器および波動歯車装置 Download PDF

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Abstract

波動歯車装置(1)の波動発生器(4)は、剛性プラグ(5)と、その楕円形状の外周面(6)に装着されたウエーブベアリング(7)と、剛性プラグ(5)と一体となって回転する4つの弾性爪(11)とを有している。ウエーブベアリング(7)のボール(10)には、ルーズ状態のボール(10a)とタイト状態のボール(10b)が含まれている。タイト状態のボールに隣接するルーズ状態のボールは、タイト状態に移行する直前で、弾性爪(11)による制動力が加わり、公転運動が一時的に阻止あるいは抑制され、タイト状態のボールとの間に隙間が確保される。タイト状態のボール同士の接触に起因する回転トルクの増加、ボールの損傷などを防止できる。

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、保持器を使用しないウエーブベアリングを備えた波動発生器に関する。
波動歯車装置は、一般に、剛性の内歯歯車と、この内側に同心状に配置した可撓性の外歯歯車と、この内側に配置した波動発生器とを備えている。波動発生器は楕円形外周面を備えた剛性プラグと、この剛性プラグの楕円形外周面に装着されたウエーブベアリングを備えている。ウエーブベアリングの可撓性の外輪および可撓性の内輪は、剛性プラグによって楕円形に撓められており、この状態で、これらの間にボールが転動可能な状態で挿入されている。
波動歯車装置のウエーブベアリングは一般に、ボールを一定間隔に保持するための保持器が備わっている。このため、ボールと保持器の壁部との間の滑り、保持器の内外周面と外輪内周面および内輪外周面との間の滑りに起因して、回転トルクが大きい。また、保持器を配置しているので、ボールの数も制限される。単純にボール数を増やし、保持器を使用しない総玉状態で回転させると、姿勢・回転条件にもよるが、ボールの偏りとボール同士の滑りにより、回転トルクが大きくなる可能性がある。また、ボール同士の高速度の滑りにより、損傷を起こす可能性がある。
ここで、一般的な円環状の転がり軸受において、転動体の間隔を確保する方法としては、特許文献1、2に開示の方法がある。特許文献1に開示の方法では、軌道溝に対するボールの接触点が変化するように軌道溝形状を設定している。また、特許文献2に開示の方法では、各ボールを磁化して、磁力による反発力を利用して、各ボールの間隔を確保している。
特開2007−177993号公報 特開平6−300045号公報
波動歯車装置の波動発生器のウエーブベアリングは楕円形の剛性プラグによって楕円形状に撓められているので、周方向の各位置において転動体の負荷状態が変化する。すなわち、楕円形に撓められているウエーブベアリングでは、その楕円の長軸方向の両端において、剛性プラグによって可撓性の内外輪が半径方向の外方に強制的に撓められている。よって、可撓性の内外輪の軌道面間にタイトな状態で転動体が挟まれる。これに対して、楕円の短軸方向の両端では、可撓性の軌道輪の間が広いので、内外輪の軌道面との間に隙間ができるルーズ状態で転動体が挟まれる。
本発明の課題は、ウエーブベアリングの転動体の負荷状態の変化に着目し、保持器を使用することなく、タイト状態の転動体の間隔を確保できるようにした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、
非円形外周面あるいは非円形内周面を備えた剛性プラグと、
前記非円形外周面あるいは前記非円形内周面に装着されて非円形に撓められている半径方向に撓み可能なウエーブベアリングと、
前記剛性プラグと一体となって回転する間隔確保部材と、
を有しており、
前記ウエーブベアリングは、
前記剛性プラグによって非円形に撓められている内輪側軌道面および外輪側軌道面と、
前記内輪側軌道面および前記外輪側軌道面の間に、ルーズ状態およびタイト状態で挿入されている複数個の転動体と、
を備えており、
前記転動体のうち、1組の隣接するルーズ状態の前記転動体およびタイト状態の前記転動体を、それぞれ、前記第1転動体および第2転動体と呼ぶものとすると、
前記間隔確保部材は、前記第1転動体と前記第2転動体との間に所定の隙間を確保するために、前記第1転動体に対して、前記第2転動体に向かう方向への公転運動に対して所定の制動力を与える部材であることを特徴としている。
前記間隔確保部材として、前記第1転動体に当接可能に配置され、前記制動力として弾性力を与える弾性部材を用いることができる。また、前記間隔確保部材として、前記第1転動体に対峙可能に配置され、前記制動力として磁気吸引力を与える磁石を用いることができる。
例えば、前記剛性プラグは非円形外周面を備え、前記非円形外周面は楕円形状の外周面であり、前記間隔確保部材として、前記剛性プラグの外周縁部分に取り付けた第1〜第4間隔確保部材を備えている。この場合には、前記第1、第2間隔確保部材は、前記楕円形状の長軸に対して45°未満の対称な角度位置に取り付けられる。また、前記第3、第4間隔確保部材は、前記楕円形状の長軸に対して45°未満の対称な角度であって、前記第1、第2間隔確保部材に対して、前記楕円形状の短軸に対して対称な角度位置に取り付けられる。
非円形、例えば楕円形状に撓められたウエーブベアリングでは、荷重を受けるタイト状態の転動体の位置、および、荷重を受けないルーズ状態の転動体の位置が、剛性プラグの長軸(短軸)位置により決まる。転動体は、楕円形状の長軸付近ではタイト状態になり、短軸付近ではルーズ状態になる。
本発明では、剛性プラグと一体となって回転する間隔確保部材を用いて、ルーズ状態からタイト状態に転動体が移行する直前で、この転動体と、すでにタイト状態になっている隣の転動体との間隔を確保している。タイト状態となっている間は、この隙間を維持して、これらの転動体が公転する。例えば、剛性プラグが楕円形状の外周面を備えている場合には、その外周面において、転動体がルーズ状態からタイト状態に移行する直前の4箇所の位置において、第1〜第4間隔確保部材によって、転動体の間隔を確保することにより、タイト状態の転動体同士の接触を防ぐことができる。
本発明によれば、剛性プラグと一体となって回転する間隔確保部材を用いて、荷重を受けるタイト状態の転動体の間隔を確保している。よって、保持器を用いてタイト状態の転動体の間隔を保持する必要がないので、ウエーブベアリングを総玉タイプあるいは総コロタイプのベアリングとすることができる。また、ウエーブベアリングを総玉タイプあるいは総コロタイプのベアリングとした場合における転動体の偏りと転動体同士の滑りに起因する回転トルクの上昇、および、タイト状態の転動体同士の滑りに起因する損傷の発生を防止あるいは抑制できる。
本発明を適用した波動歯車装置を示す縦断面図である。 波動歯車装置のかみ合い状態を示す説明図である。 間隔確保部材を示す正面図、平面図および側面図である。 弾性爪によるボールの間隔確保動作を示す説明図である。 間隔確保部材として磁石を用いる場合の説明図である。 本発明を適用可能な波動歯車装置を示す説明図である。
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波動歯車装置の縦断面図であり、図2は波動歯車装置の噛み合い状態を示す模式図である。
波動歯車装置1は、剛性の内歯歯車2と、この内側に配置されているカップ型の可撓性の外歯歯車3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4を有している。円形の外歯歯車3における外歯3aが形成されている部分は、波動発生器4によって楕円形状に撓められている。外歯3aにおける楕円形の長軸Lmaxの方向の両端部分が、円形の内歯歯車2の内歯2aに噛み合っている。
波動発生器4にはモータ軸などの高速回転入力軸が連結されている。波動発生器4が回転すると、両歯車2、3の噛み合い位置が円周方向に移動して、両歯車2、3の間には、それらの歯数差に起因する相対回転が発生する。例えば、内歯歯車2が回転しないように固定され、外歯歯車3が負荷側の部材に連結され、外歯歯車3から減速回転が取り出されて負荷側の部材に伝達される。
波動発生器4は、所定厚さの剛性プラグ5と、この剛性プラグ5の楕円形状の外周面6に装着したウエーブベアリング7とを備えている。ウエーブベアリング7は、総玉タイプのベアリングであり、半径方向に撓み可能な円形の内輪8および外輪9と、これらの間に転動可能な状態で装着されている複数個のボール10(n)(n=1、2、3、・・・)とを備えている。以下においては、ボール10(n)を纏めて、ボール10と呼ぶ。
ウエーブベアリング7は、剛性プラグ5によって楕円形状に撓められた状態で外歯歯車3の内側に嵌め込まれ、外歯歯車3と、高速回転入力軸に連結されている剛性プラグ5を相対回転可能な状態に保持している。すなわち、楕円形状に撓められた内輪8および外輪9の間に挿入されているボール10が、これら内外輪8、9の内輪側軌道面8aおよび外輪側軌道面9aに沿って転がり運動を行うことにより、剛性プラグ5および外歯歯車3が小さなトルクでスムーズに相対回転可能である。
ボール10のうち、楕円形状の長軸Lmax上、および、その近傍に位置する1個あるいは複数個のボールは内外輪8、9の間にタイト状態で挟まれているタイトボールであり、内輪側軌道面8aおよび外輪側軌道面9aに点接触し、転がり運動する状態になっている。長軸Lmaxから離れた位置にある残りのボールは内外輪8、9の間において、隙間があり、転がり運動が自在なルーズ状態に保持されているルーズボールである。例えば、図2において、中心軸線1aを中心とする角度範囲a1、a2内のボール10がタイトボールであり、角度範囲b1、b2内のボール10がルーズボールである。
剛性プラグ5の外周面6における外周縁部分には、角度範囲a1、a2内のタイトボールの間隔を確保するための4つの弾性爪11(1)〜11(4)が取り付けられている。弾性爪11(1)〜11(4)は、ルーズボールと、これに隣接するタイトボールとの間に位置するように配置されている。すなわち、弾性爪11(1)、11(2)は、楕円形状の外周面6における長軸Lmaxの一方の側において、当該長軸Lmaxに対して左右対称な位置に配置されている。弾性爪11(3)、11(4)は、楕円形状の外周面6において長軸Lmaxの他方の側において、当該長軸Lmaxに対して左右対称な位置に配置されている。また、弾性爪11(1)、11(2)と、弾性爪11(3)、11(4)とは、楕円形状の外周面6の短軸Lminに対して対称な位置に配置されている。
例えば、剛性プラグ5の中心軸線(装置軸線)1aの方向から見た場合に、長軸Lmaxを中心として、外周面6に沿って左右に45°未満の角度位置、図2の例では、略35°の角度位置に、それぞれ弾性爪11(1)〜11(4)が配置されている。これらの弾性爪11(1)〜11(4)は同一部品であるので、これらの弾性爪11(1)〜11(4)を纏めて、弾性爪11と呼ぶ。
図3(a)は弾性爪11の正面図であり、弾性爪11を波動発生器4の中心軸線1a(図1参照)の方向から見た場合の図である。図3(b)は弾性爪11の平面図であり、弾性爪11を半径方向の外周側から見た場合の図である。図3(c)は弾性爪11の側面図であり、弾性爪11をボール10の公転方向に沿って見た場合の図である。
これらの図に示すように、弾性爪11は板状の下端部分11aと扁平な三角柱形状をした上端部分11bとを備えている。下端部分11aの下端は、剛性プラグ5の外周面6における内輪8の側方部位(外周縁部分)6aに固定されている。弾性爪11は、その上端部分11bが隣接するルーズボール10bとタイトボール10aの間に入り込む状態となるように配置されている。上端部分11bにおける鈍角をなす一対の傾斜面11c、11dは、タイトボール10aおよびルーズボール10bに対して点接触可能な面である。
また、弾性爪11の上端部分11bは、タイトボール10aによって押されて、図3(b)において実線で示すボール間に入り込んでいる突入位置から側方に後退した後退位置までの間を弾性変位可能である。換言すると、弾性爪11はタイトボール10aの公転運動を妨げない形状および弾性特性を備えている。なお、図示の弾性爪11の形状は、一例を示すものであり、他の断面形状の弾性爪であってもよいことは勿論である。
図4(a)は或る時点における剛性プラグ5および弾性爪11(1)〜11(4)と、ボール10との位置関係を示す説明図である。図4(b)は剛性プラグ5の回転に伴う弾性爪11(1)、11(4)とボール10の相対的な位置関係の変化を示す説明図であり、弾性爪11(1)、11(4)を静止側として見た場合におけるボール10の相対位置の変化を示してある。また、図4(b)の各時点T1〜T5において、T1a〜T5aは、波動発生器4の中心軸線1aの方向から見た場合における弾性爪11(1)、11(4)とボール10の位置関係を直線上に展開して示す説明図であり、T1b〜T5bは、半径方向の外周側から見た場合における位置関係を示す説明図であり、T1c〜T5cはボール10の公転方向から見た場合におけるボール10によって生じる弾性爪11(1)の弾性変位を示す説明図である。
これらの図を参照して弾性爪11(1)によるタイト状態のボール10の間隔確保動作を説明する。図4(b)の時点T1においては、弾性爪11(1)は突入位置にあり、ルーズ状態のボール10(2)と、これに隣接するタイト状態のボール10(1)との間に入り込んでいる。弾性爪11(1)の傾斜面11c、11dが隣接するボール10(2)およびボール10(3)に当接している。
剛性プラグ5が、例えば、図4(a)の矢印で示す方向に回転すると、弾性爪11(1)、11(4)も一体となって回転する。弾性爪11(1)、11(4)の回転速度に比べて、ボール10の同一方向への公転速度は遅いので、弾性爪11(1)、11(4)は突入位置から後退位置までの間で繰り返し弾性変位して、各ボール10の側面部分を乗り越えながら回転する。弾性爪11(1)、11(4)を静止側として見た場合には、各ボール10は、弾性爪11(1)、11(4)を後退位置に押し出しながら公転する。
更に詳しく説明すると、時点T1においてルーズ状態のボール10(2)は、弾性爪11(1)によって制動力が加わり公転運動が一時的に阻止される。これに対して、隣接するタイト状態のボール10(1)は公転が拘束されないので、ルーズ状態のボール10(2)とタイト状態のボール10(1)の間に、所定の間隔が確保される。
剛性プラグ5の回転に伴って、弾性爪11(1)、11(4)とボール10(2)、10(1)との相対位置関係は、図4(b)の時点T1から時点T2に移行する。時点T2は、タイト状態のボール10(1)に隣接するルーズ状態のボール10(2)がタイト状態に移行する途中の時点である。
タイト状態に切り替わる間に、ボール10(2)の公転力も増大し、弾性爪11(1)を弾性変形させることが可能な大きさになる。このため、ボール10(2)は、時点T2〜T5に示すように、弾性爪11(1)を突入位置から後退位置に押し出しながらタイト状態に切り替わる。タイト状態のボール10(1)、10(2)は、それらの間の間隔を維持したままタイト状態から再びルーズ状態に切り替わるまで移動する。
弾性爪11(1)は、ボール10(2)が通過した後は、時点T5に示すように、再び突入位置に弾性復帰し、タイト状態になったボール10(2)と次のルーズ状態のボール10(3)の間に入り込む。
なお、他方の弾性爪11(4)は、時点T1において、ルーズ状態のボール10(9)とタイト状態のボール10(10)との間に入り込んだ状態にある。剛性プラグ5の回転に伴って、タイト状態のボール10(10)は、弾性爪11(4)を後退位置に押し出しながらルーズ状態に移行する。ボール10(10)が弾性爪11(4)を超えてルーズ状態になる時点T5においては、弾性爪11(4)は再び突入位置に弾性復帰し、ルーズ状態のボール10(10)と、次のタイト状態のボール10(11)との間に入り込む。剛性プラグ5の回転方向が逆の場合には、弾性爪11(4)によって、ルーズ状態からタイト状態に移行するルーズボール10bと、これに隣接するタイトボール10aとの間の隙間が確保される。
残りの弾性爪11(2)、11(3)も同様に動作する。剛性プラグ5の回転方向が図4(a)の矢印で示す方向の場合には、弾性爪11(3)によって、ルーズ状態からタイト状態に移行するルーズ状態のボール10と、これに隣接するタイト状態のボール10との間の隙間が確保される。剛性プラグ5が逆方向に回転する場合には、弾性爪11(2)によって、タイト状態に移行するルーズ状態のボール10と、これに隣接するタイト状態のボール10の隙間が確保される。
(間隔確保部材の別の例)
上記の実施の形態では、間隔確保部材として弾性爪11を用いている。間隔確保部材として、磁石を用いることができる。
図5は磁石を間隔確保部材として用いる場合の説明図であり、図4(b)と同様に、ウエーブベアリングのボール10を直線上に展開した状態で示してある。図5(a)はウエーブベアリングの中心軸線の方向から見た場合の説明図であり、図5(b)はウエーブベアリングの外周側から見た場合の説明図である。
これらの図に示すように、剛性プラグ(図示せず)と一体となって回転する磁石20を配置する。磁石20は、タイト状態のボール10aに隣接するルーズ状態のボール10bに対して側方から対峙する位置に配置する。ボール10a、10bは磁性体であり、磁石20の側方を通過する際にボール10bは磁気吸引力によって公転運動が一時的に阻止あるいは抑制される。これにより、ルーズ状態のボール10bがタイト状態に移行する直前で、隣接するタイト状態のボール10aとの間に所定の隙間が確保される。
(波動歯車装置の形式)
上記の実施の形態は、本発明を、カップ形状の外歯歯車を備えたカップ型の波動歯車装置に適用した例である。本発明は、シルクハット形状の外歯歯車を備えたシルクハット型の波動歯車装置、円筒形状の外歯歯車を備えたフラット型の波動歯車装置にも適用可能である。
また、上記の実施の形態は、本発明を、剛性の内歯歯車の内側に、可撓性の外歯歯車が配置された波動歯車装置に適用した例である。本発明は、図6(a)に示すように、剛性の外歯歯車31の外側に可撓性の内歯歯車32が配置され、内歯歯車32の外側に波動発生器33が配置された構成の波動歯車装置30にも適用可能である。この場合には、波動発生器33は、剛性プラグ34と、この剛性プラグ34の非円形内周面35と内歯歯車32との間に装着されるウエーブベアリング35とを備えている。この場合には、例えば、剛性プラグ34の円周方向における所定の位置に間隔確保部材を取り付けることができる。
(波動発生器の形状)
上記の実施の形態では、波動発生器の剛性プラグは、非円形外周面として楕円形状の外周面を備えている。剛性プラグの非円形外周面として、楕円形状以外の非円形外周面を採用することもできる。
例えば、3ローブ形状の外周面を備えた剛性プラグを用いることができる。図6(b)に示すように、この構成の波動歯車装置40では、可撓性歯車42は、剛性歯車41に対して円周方向における3箇所でかみ合う。したがって、波動発生器43のウエーブベアリング45においては、剛性プラグ44の非円形外周面46に沿ってみた場合に、3箇所のかみ合い位置の部分では転動体がタイト状態となり、3箇所のタイト状態の転動体の間において転動体がルーズ状態になる。よって、タイト状態の転動体とルーズ状態の転動体とが、6箇所で隣接するので、6箇所に、間隔確保部材を配置すればよい。
(ウエーブベアリング)
上記の実施の形態では、波動発生器のウエーブベアリングは、剛性プラグの楕円状外周面に嵌めた内輪を備えている。図6のウエーブベアリング35、45のように、内輪あるいは外輪を省略して、剛性プラグの非円形外周面あるいは非円形内周面に直接、内輪側軌道面あるいは外輪側軌道面を形成することも可能である。
また、上記の実施の形態では、ウエーブベアリングとしてボールベアリングを用いている。ボール以外の転動体を備えたウエーブベアリングであってもよい。例えば、ウエーブベアリングとしてローラベアリングを用いることもできる。この場合、ローラとして、端面が平面形および丸面形のいずれも用いることができる。丸面形のローラを用いる場合には、間隔確保部材として、上記の磁石だけでなく、弾性爪も用いることができる。
また、上記の実施の形態は、本発明を、剛性の内歯歯車の内側に、可撓性の外歯歯車が配置された波動歯車装置に適用した例である。本発明は、図6(a)に示すように、剛性の外歯歯車31の外側に可撓性の内歯歯車32が配置され、内歯歯車32の外側に波動発生器33が配置された構成の波動歯車装置30にも適用可能である。この場合には、波動発生器33は、剛性プラグ34と、この剛性プラグ34の非円形内周面35と内歯歯車32との間に装着されるウエーブベアリング36とを備えている。この場合には、例えば、剛性プラグ34の円周方向における所定の位置に間隔確保部材を取り付けることができる。
(ウエーブベアリング)
上記の実施の形態では、波動発生器のウエーブベアリングは、剛性プラグの楕円状外周面に嵌めた内輪を備えている。図6のウエーブベアリング36、45のように、内輪あるいは外輪を省略して、剛性プラグの非円形外周面あるいは非円形内周面に直接、内輪側軌道面あるいは外輪側軌道面を形成することも可能である。

Claims (8)

  1. 非円形外周面あるいは非円形内周面を備えた剛性プラグと、
    前記非円形外周面あるいは前記非円形内周面に装着されて非円形に撓められている半径方向に撓み可能なウエーブベアリングと、
    前記剛性プラグと一体となって回転する間隔確保部材と、
    を有しており、
    前記ウエーブベアリングは、
    前記剛性プラグによって非円形に撓められている内輪側軌道面および外輪側軌道面と、
    前記内輪側軌道面および前記外輪側軌道面の間に、ルーズ状態およびタイト状態で挿入されている複数個の転動体と、
    を備えており、
    前記転動体のうち、隣接するルーズ状態の前記転動体およびタイト状態の前記転動体を、それぞれ、第1転動体および第2転動体と呼ぶものとすると、
    前記間隔確保部材は、前記第1転動体と前記第2転動体との間に所定の隙間を確保するために、前記第1転動体に対して、前記第2転動体に向かう方向への公転運動に対して所定の制動力を与える部材である波動歯車装置の波動発生器。
  2. 請求項1において、
    前記間隔確保部材は、前記第1転動体に当接可能に配置され、前記制動力として弾性力を与える弾性部材である波動歯車装置の波動発生器。
  3. 請求項1において、
    前記間隔確保部材は、前記第1転動体に対峙可能に配置され、前記制動力として磁気吸引力を与える磁石である波動歯車装置の波動発生器。
  4. 請求項1において、
    前記剛性プラグは非円形外周面を備え、
    前記非円形外周面は楕円形状の外周面であり、
    前記間隔確保部材として、前記剛性プラグの外周縁部分に取り付けた第1〜第4間隔確保部材を備えており、
    前記第1、第2間隔確保部材は、前記楕円形状の長軸に対して45°未満の対称な角度位置に取り付けられており、
    前記第3、第4間隔確保部材は、前記楕円形状の長軸に対して45°未満の対称な角度であって、前記第1、第2間隔確保部材に対して、前記楕円形状の短軸に対して対称な角度位置に取り付けられている波動歯車装置の波動発生器。
  5. 剛性歯車と、
    前記剛性歯車にかみ合い可能な可撓性歯車と、
    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。
  6. 請求項5において、
    前記間隔確保部材は、前記第1転動体に当接可能に配置され、前記制動力を弾性力として与える弾性部材である波動歯車装置。
  7. 請求項5において、
    前記間隔確保部材は、前記第1転動体に対峙可能に配置され、前記制動力を磁気吸引力として与える磁石である波動歯車装置。
  8. 請求項5において、
    前記剛性歯車は内歯歯車であり、
    前記可撓性歯車は、前記剛性歯車の内側に同心状態に配置された外歯歯車であり、
    前記波動発生器は前記可撓性歯車の内側に装着されており、
    前記剛性プラグは非円形外周面を備え、
    前記非円形外周面は楕円形状の外周面であり、
    前記間隔確保部材として、前記剛性プラグの外周縁部分に取り付けた第1〜第4間隔確保部材を備えており、
    前記第1、第2間隔確保部材は、前記楕円形状の長軸に対して45°未満の対称な角度位置に取り付けられており、
    前記第3、第4間隔確保部材は、前記楕円形状の長軸に対して45°未満の対称な角度であって、前記第1、第2間隔確保部材に対して、前記楕円形状の短軸に対して対称な角度位置に取り付けられている波動歯車装置。
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