TWI540273B - Flexible external gear, harmonic gear device and flexible external gear gear connection method - Google Patents

Description

可撓性外齒齒輪、諧波齒輪裝置及可撓性外齒齒輪的連結方法

本發明係關於一種：可確實地連結於連結對象之構件的諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪、具備該可撓性外齒齒輪的諧波齒輪裝置、以及用來將該可撓性外齒齒輪連結於連結對象之構件的連結方法。

在諧波齒輪裝置做為減速機來使用時，一般是將減速旋轉輸出從該可撓性外齒齒輪傳達到負荷側的輸出軸。藉由連結螺栓將可撓性外齒齒輪與輸出軸連結固定。在專利文獻1的圖1中，係記載利用連結螺栓將可撓性外齒齒輪連結於輸出軸那一側的構造。

另一方面，做為進行扭矩傳達的2個構件之連結固定構造，是在被連結的2個構件的連結面之間夾著摩擦板，藉由螺栓等將這2個構件予以連結固定，該構造是廣為所知。在專利文獻2中，係提案用於這種連結固定方法的摩擦片。該摩擦片是在金屬製之彈性片的表面，電鍍塗覆上可咬入連結對象之構件的連結面的鑽石粒子。

例如：若在2個軸構件的連結用端面之間夾著摩擦片，藉由連結螺栓將雙方的連結用端面予以連結固定的話，摩擦片之兩面的鑽石粒子就會咬入雙方的連結用端面，在這些連結用端面之間產生較大的摩擦力。藉由如此，即可增加2個軸構件的連結力，而可傳達較大的扭矩。

〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特開2002-339990號公報

〔專利文獻2〕日本特許第3547645號公報

在此，為了提高諧波齒輪裝置之可撓性外齒齒輪與輸出軸的連結力，進行較大的扭矩傳達，是同時使用了打入銷。此外，也可考慮併用在專利文獻2中所揭示的摩擦片。

但是，在併用打入銷時，必須在連結於連結對象之構件的可撓性外齒齒輪的輪轂，加上連結螺栓用的螺栓孔，所以必須進行銷孔的加工。再者，在使用摩擦片的連結固定構造中，又擔心被電鍍層所保持的鑽石粉末會脫落。從摩擦片脫落的鑽石粒子有可能會侵入到可撓性外齒齒輪與諧波產生器之間的滑動部分、或可撓性外齒齒輪 與剛性內齒齒輪的嚙合部分等。一旦硬質的鑽石粒子入侵到這些部分，這些部分就有發生摩耗、破損等之虞。

本發明鑑於此問題，其課題即提案一種諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，其係不須要進行銷孔加工、也不須要使用摩擦片，只要藉由螺栓軸力即可進行必要的扭矩傳達。

此外，本發明亦提案一種：具備該新穎可撓性外齒齒輪的諧波齒輪裝置。

再者，本發明的課題又提案一種可撓性外齒齒輪的連結方法，其係不須要進行銷孔加工、也不須要使用摩擦片，只要藉由螺栓軸力即可進行必要的扭矩傳達。

為了解決上述課題，本發明之諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，其特徵為：具有：連結於連結對象之構件的圓環狀或圓盤狀的輪轂；形成在上述輪轂，抵接於上述連結對象之構件的構件側連結面的輪轂側連結面；以及依預定間距，形成在上述輪轂側連結面之預定尺寸的複數個卡合用突起，上述卡合用突起，是藉由在上述輪轂側連結面施以光蝕刻加工而一體形成的突起，上述輪轂側連結面以及上述卡合用突起的硬度為HRC45以上。

上述卡合用突起，是從上述輪轂側連結面垂直突出之楔形形狀的突起，上述卡合用突起的前端係成為與上述輪轂側連結面平行之平坦的頂面，上述卡合用突起之與該突出方向正交的剖面形狀係為圓形、四角形或三角形。

又，鄰接配置之上述卡合用突起的間距為0.2mm~0.5mm，上述卡合用突起之頂面的最大直徑或最大寬幅為0.01mm~0.05mm，上述卡合用突起的高度，是以上述突起之頂面的最大直徑或最大寬幅的1.0倍~1.2倍為佳。

當上述卡合用突起之頂面的最大直徑或最大寬幅為0.03mm~0.05mm時，例如：咬入到上述卡合用突起之上述構件側連結面的咬入深度，則以設定為0.015mm~0.025mm為佳。

又，上述卡合用突起，是以每10mm²為40~250個的密度來配置為佳。

在將該構成的可撓性外齒齒輪連結於連結對象之構件時，使該可撓性外齒齒輪的上述輪轂側連結面，同軸地重疊於上述連結對象之構件的構件側連結面。在此狀態下，利用連結螺栓來連結上述輪轂與上述連結對象的構件，藉由上述連結螺栓的螺栓軸力，使上述輪轂側連結面的上述卡合用突起，從上述構件側連結面咬入上述連結對象的構件，一直到預定的咬入深度為止。利用卡合用突起咬入構件側連結面，在連結面之間即產生較大的摩擦 力。

藉由設定適當的螺栓軸力、輪轂的強度以及硬度、連結對象之構件的硬度、卡合用突起的形狀‧尺寸、卡合用突起的咬入深度，即可增加輪轂與連結對象的構件之間的摩擦係數。藉由如此，即不須併用銷、摩擦片，只要利用連結螺栓，即可從可撓性外齒齒輪將必要的扭矩傳達至連結對象的構件。

因此，不須要對可撓性外齒齒輪的輪轂進行銷孔加工，也不須要併用摩擦片。此外，因為卡合用突起是利用光蝕刻加工而一體形成在輪轂側連結面，所以，可防止或控制卡合用突起從輪轂側連結面脫落，侵入到諧波齒輪裝置的旋轉滑動動作部分、或嚙合部分等弊害發生。

在本發明之可撓性外齒齒輪的連結方法中，可事先在連結對象之構件的構件側連結面形成卡合用突起。此時，只要使形成有卡合用突起之構件的硬度高於另一方之構件的硬度即可。再者，也可事先在輪轂側連結面以及構件側連結面雙方形成卡合用突起。此時，只要使雙方之構件的硬度大致相同即可。

亦即，根據本發明之可撓性外齒齒輪的連結方法，其特徵為：在連結對象的構件形成構件側連結面，為了連結上述連結對象的構件，在設於上述可撓性外齒齒輪的輪轂形成輪轂側連結面，上述構件側連結面以及上述輪轂側連結面中之至少其 中一方的連結面，係為突起側連結面，預定尺寸的複數個卡合用突起，係依預定間距，利用光蝕刻加工一體形成在該突起側連結面，上述突起側連結面的硬度係設定為：等於或大於另一方之上述連結面的硬度，將上述可撓性外齒齒輪的上述輪轂側連結面同軸地重疊於上述連結對象之構件的上述構件側連結面，使用連結螺栓，連結上述輪轂與上述連結對象的構件，藉由上述連結螺栓的螺栓軸力，使上述突起側連結面的上述卡合用突起，從另一方的上述連結面咬入，至預定的咬入深度為止。

1‧‧‧諧波齒輪裝置

1a‧‧‧裝置軸線

2‧‧‧剛性內齒齒輪

3‧‧‧可撓性外齒齒輪

4‧‧‧諧波產生器

5‧‧‧圓筒狀筒體部

6‧‧‧膜片

7‧‧‧輪轂

8‧‧‧外齒

9‧‧‧內齒

11‧‧‧輸出構件

12‧‧‧安裝用凸緣

13‧‧‧連結螺栓

14‧‧‧構件側凸緣

15‧‧‧構件側連結面

16‧‧‧輪轂側連結面

20‧‧‧卡合用突起

20a‧‧‧中心軸線

20b‧‧‧外周面

20c‧‧‧頂面

20A、20B、20C‧‧‧卡合用突起

31‧‧‧光阻膜

〔圖1〕為適用本發明之杯型諧波齒輪減速機的立體圖。

〔圖2〕為諧波齒輪減速機的縱剖面圖。

〔圖3〕係顯示諧波齒輪減速機之可撓性外齒齒輪的輪轂、以及負荷側之輸出軸的連結部分的縱剖面圖。

〔圖4〕係顯示圖3之連結部分的構成零件之分解狀態的縱剖面圖。

〔圖5〕(a)為輪轂側連結面之一部分的部分放大平面圖、(b)為部分放大剖面圖、(c)為部分放大剖面 圖。

〔圖6〕係顯示利用化學蝕刻法來製造卡合用突起之步驟的說明圖。

〔圖7〕(a)係顯示卡合用突起之其他例的部分放大平面圖、(b)係部分放大剖面圖、(c)係部分放大剖面圖。

〔圖8〕(a)係顯示卡合用突起之其他例的部分放大平面圖、(b)係部分放大剖面圖、(c)係部分放大剖面圖。

〔圖9〕(a)為圓錐突起被壓入鋼材表面時的狀態說明圖、(b)為卡合用突起咬入輪轂時的狀態說明圖。

〔圖10〕為顯示頂面直徑不同之卡合用突起的咬入深度、以及近似摩擦係數的關係表。

以下茲參照圖面來說明：適用本發明之具有杯型可撓性外齒齒輪的諧波齒輪裝置的實施形態。本發明亦可適用於具有大禮帽型(Top Hat)之可撓性外齒齒輪的諧波齒輪裝置。

(諧波齒輪裝置)

圖1是諧波齒輪裝置的立體圖，圖2是該縱剖面圖。諧波齒輪裝置1係具備：圓環狀的剛性內齒齒輪2、可嚙合於剛性內齒齒輪2的杯型可撓性外齒齒輪3、以及橢圓 形輪廓的諧波產生器4，該諧波產生器4是將可撓性外齒齒輪3彎折成橢圓形，使其部分嚙合於剛性內齒齒輪2。

杯型的可撓性外齒齒輪3具有：可朝向半徑方向彎曲的圓筒狀筒體部5、從該後端緣朝向內方延伸之圓環狀的膜片6、連續形成於膜片6之內周緣的圓環狀輪轂7、以及形成在圓筒狀筒體部5的開口端側之外周面部分的外齒8。再者，大禮帽型的可撓性外齒齒輪係具備：可朝向半徑方向彎曲的圓筒狀筒體部、從該後端緣朝向半徑方向外側延伸之圓環狀的膜片、連續形成於膜片之外周緣的圓環狀輪轂、以及形成在圓筒狀筒體部之開口端側之外周面部分的外齒。

諧波產生器4係嵌入在：可撓性外齒齒輪3之形成有外齒8的圓筒狀筒體部5之部分的內側。藉由諧波產生器4，將圓筒狀筒體部5彎折成橢圓形，位在橢圓形之長軸方向兩端的外齒8的部分，係嚙合於剛性內齒齒輪2的內齒9。

諧波產生器4係連結固定有馬達軸等的旋轉輸入軸(無圖示)，藉由該旋轉輸入軸而被旋轉驅動。一旦諧波產生器4旋轉，兩齒輪2，3的嚙合位置就朝周方向移動。如此一來，就會根據兩齒輪的齒數差，而在兩齒輪之間產生相對旋轉。在本實例中，剛性內齒齒輪2是固定在無圖示之固定側的構件，可撓性外齒齒輪3成為減速旋轉輸出要素。可撓性外齒齒輪3的減速旋轉是朝負荷側的構件(連結對象的構件)輸出。

圖3為顯示可撓性外齒齒輪3與連結對象之輸出構件的連結部分的縱剖面圖，圖4為將該構成零件予以分解所示的說明圖。負荷側的輸出構件11係連結固定在可撓性外齒齒輪3之圓環狀的輪轂7。為了連結固定，係使用圓環狀的安裝用凸緣12以及複數個連結螺栓13。

在輸出構件11的後端部係形成了大直徑的構件側凸緣14，構件側凸緣14的圓形後端面，是與其中心軸線正交的構件側連結面15。構件側連結面15係同軸地重疊在輪轂7之外側端面的輪轂側連結面16。輪轂側連結面16是與裝置軸線1a正交的端面。安裝用凸緣12係同軸地重疊在輪轂7的內側端面。螺栓孔係在圓周方向，以一定間隔形成在構件側凸緣14，螺栓插通孔也同樣在圓周方向，以一定間距形成在輪轂7以及安裝用凸緣12。在這些螺栓孔、螺栓插通孔穴一致的狀態下，3個構件係同軸地重疊，藉由從安裝用凸緣12的那一側所插入的連結螺栓13，即可藉由預定的螺栓軸力將該3個構件連結固定。

圖5(a)係為將輪轂側連結面16的表面放大所示的部分放大平面圖，(b)為被b-b線所切斷時的部分放大剖面圖，(c)為被c-c線所切斷時的部分放大剖面圖。

預定形狀的卡合用突起20係藉由光蝕刻加工，依預定間距一體形成在輪轂側連結面16。卡合用突起20依一定的間距配列成矩陣狀，相鄰之卡合用突起的 間距Px、Py之值都是在0.2mm~0.5mm的範圍內。卡合用突起20的配列形態也可以是除了矩陣狀以外的其他配列形態。

各個卡合用突起20都是從輪轂側連結面16垂直突出之楔形形狀的突起。卡合用突起20的前端是成為與輪轂側連結面16平行之平坦的頂面。又，卡合用突起20之與其突出方向正交的剖面形狀是為圓形。亦即，在本例中，卡合用突起20是為全體近似於圓錐台形狀的突起，該中心軸線20a係垂直於輪轂側連結面16。卡合用突起20的外周面20b是由楔形形狀的彎曲面所形成。卡合用突起20的頂面20c是成為與中心軸線20a正交之平坦的圓形面。

卡合用突起20之頂面20c的最大直徑L是在0.01mm~0.05mm的範圍內。卡合用突起20的高度H為該頂面20c之最大直徑L的1.0倍~1.2倍的範圍內。因此，高度H為0.06mm以下。此外，卡合用突起20是以每10mm²為40~250個範圍內的密度所形成。

在圖示例中，卡合用突起20之頂面20c的最大直徑L為0.05mm，高度H為0.065mm，間距Px、Py皆為0.2mm。

再者，輪轂側連結面16的表面部分與卡合用突起20的硬度為HRC45以上。可撓性外齒齒輪3的毛胚只要是使用硬度為HRC45以上者即可。或者，當毛胚的硬度未達HRC45時，可在利用光蝕刻加工來形成卡合用 突起20之前的階段或之後的階段，對輪轂側連結面16施以熱處理、浸炭處理、氮化處理等的表面處理，以使輪轂側連結面16的表面部分與卡合用突起20的硬度變成HRC45以上即可。可撓性外齒齒輪3的素材硬度一般是在HRC36~45之間，輸出構件11的素材硬度亦同。輪轂側連結面16、以及卡合用突起20的硬度以大於連結側之構件側連結面15的硬度為宜。

在此，可利用一般的光蝕刻加工來形成卡合用突起20。例如，如圖6所示般，在可撓性外齒齒輪3施以齒切加工後，即會以包覆該輪轂7之外側端面16A的狀態形成光阻膜31(圖6(a)、(b))。接下來，在光阻膜31進行曝光以及顯像，在光阻膜形成遮罩圖案(圖6(c))。之後，在外側端面16A的露出面部分進行例如為濕蝕刻，而形成卡合用突起20(圖6(d))。然後，剝離去除光阻膜31的遮罩圖案，進行洗淨‧乾燥步驟等的後置處理(圖6(e))。藉由如此，當遮罩圖案為圓形時，略圓錐台狀的卡合用突起20即一體形成在輪轂側連結面16。而當遮罩圖案為四角形、三角形時，就會形成四角錐台狀、三角錐台狀的卡合用突起。

在圖7、圖8中係顯示卡合用突起20的其他形狀。圖7所示的卡合用突起20A全體係呈略四角錐台的形狀。例如：卡合用突起20A的頂面為正四方形，該寬幅L為0.05mm、高度H為0.06mm、間距P為0.2mm。又，圖8所示的卡合用突起20B全體係呈略三角錐台的形狀。 例如：卡合用突起20B的頂面為正三角形，該正三角形的寬幅L為0.06mm。卡合用突起20B的高度H為0.06mm、間距P為0.2mm。再者，在配列成矩陣狀的卡合用突起20B之一方的列，其三角形的方向是每隔一個就反轉。

在將連結對象的輸出構件11連結於該構成的可撓性外齒齒輪3的輪轂7時，將輪轂側連結面16同軸地重疊於連結對象的構件側連結面15，又將安裝用凸緣12重疊於輪轂7的相反側。在此狀態下，將連結螺栓13從安裝凸緣12的那一側插入，將輸出構件11、輪轂7以及安裝凸緣12等3個構件予以連結固定。藉由連結螺栓13的螺栓軸力，輪轂側連結面16的卡合用突起20會從連結對象的構件側連結面15咬入，一直到預定的咬入深度為止。藉由卡合用突起20咬入構件側連結面15，即在連結面之間產生較大的摩擦力。

在可撓性外齒齒輪3與輸出構件11的連結部分，輪轂側連結面16的卡合用突起20咬入構件側連結面15時的連結力，即可近似於伴隨鋼之擦刻時的摩耗。參照圖9(a)來說明的話，假設圓錐突起被壓入鋼材的連結面。n個圓錐突起接觸到連結面。以粗箭頭所示之行進方向的圓錐突起的投影面積(三角形)At如下式所示。

At=n‧r‧d=n‧r‧r‧cot θ=n‧r²‧(1/tan θ)

但是，r：圓錐突起所引起之壓痕的平均半徑

θ：圓錐突起的半頂角

d：深度

圓錐突起所引起之壓痕面積可接近於下式。

圓錐突起所引起之壓痕面積≒實際接觸面積Ar=P/Pm=n‧π r²

P：全荷重

Pm：實際接觸面積的平均面壓

因此，若以F為擦刻阻力(摩擦力)時，則摩擦係數μ可以下式來表示。

摩擦係數μ=F/P=Ar‧Pm/Ar‧Pm=At/Ar=1/(π‧tan θ)當圓錐突起的θ為45deg時，μ=0.3183。

圖9(b)係顯示使本例的圓錐台狀之卡合用突起20咬入構件側連結面15的情形。此時，可如下述般使各數值近似。

咬入深度x≒d

咬入投影面積AT≒At

壓痕面積AR≒Ar

近似摩擦係數M=AT/AR

在此，連結部分的傳達扭矩係受到：使卡合用突起20咬入構件側連結面15時之連結面的摩擦係數的很大影響。如上述般，摩擦係數可根據咬入投影面積AT、以及壓痕面積AR來規定。亦即，摩擦係數主要是根據：卡合用突起20的形狀‧尺寸、咬入深度、輪轂側連結面16與構件側連結面15之間的硬度差來決定。

所以，藉由對卡合用突起20的形狀‧尺寸、輪轂7側的硬度、以及輸出構件11側的硬度做適當的設定，即可得到目標之摩擦係數的連結面。在本例中，是利用光蝕刻加工來形成圓錐台狀的卡合用突起20。藉由將這種形狀之卡合用突起20的頂面大小L、突起高度H、以及硬度，如上述般加以設定，即可得到較大的摩擦係數。

又，突起數n是被根據全壓痕面積(AR×n)之素材的剪斷強度所限制。在本例中，考量到輪轂7的剪斷強度，即將突起數n之值設定在每10mm²為40~250個的範圍內。

甚至，在施以相同的螺栓軸力時，卡合用突起的咬入深度x是根據突起之頂面的形狀而有所不同。當卡合突起的頂面形狀為圓形、四角形、三角形，除此以外皆為同一條件時，以三角形最容易咬入，而以圓形最不易咬入。此外，硬度較低之連結面的咬入深度x又比硬度較高的連結面大。再者，卡合突起的咬入深度x是根據卡合突起之頂面的面積而有所不同，面積較小者較易咬入。同樣地，卡合突起之頂面的總面積較小者，也比總面積較大者更易咬入。所以，只要根據輪轂側連結面16的大小、必要傳達扭矩，施加的螺栓軸力，對卡合用突起20的大小、形狀(頂面的形狀、面積、突起高度)、卡合用突起20的配列間距以及每單位面積的個數、以及各部分的硬度做適當設定即可。

圖10係顯示：在卡合用突起20為圓錐台形狀時，改變圓形之頂面的直徑時的咬入深度(壓入深度)、以及近似摩擦係數之關係例的圖表。將卡合用突起20配置成矩陣狀，將相鄰配置之卡合用突起20的間距P設定為0.2mm~0.5mm，又將卡合用突起20之頂面的最大直徑L設定為0.03mm、0.04mm以及0.05mm等3種類，且將卡合用突起20的高度設定為突起之頂面的最大直徑L的1.0倍~1.2倍。

從此表即可了解，當卡合用突起20之頂面的最大直徑L為0.03mm時，只要將咬入深度設定為0.01mm~0.025mm，即可使近似摩擦係數變成0.35以上。當頂面的最大直徑L為0.04mm時，只要將咬入深度設定為0.015mm~0.035mm，即可使近似摩擦係數為0.35以上。當頂面的最大直徑L為0.05mm時，只要將咬入深度設定為0.020mm~0.040mm，即可使近似摩擦係數為0.35以上。此外，頂面的最大直徑L為0.03mm~0.05mm時，只要將咬入深度設定為大約0.015mm~0.025mm，即可使近似摩擦係數為大約0.35以上。

(其他實施形態)

再者，在本發明之可撓性外齒齒輪的連結方法中，係可在連結對象之構件的構件側連結面事先形成卡合用突起。此時，只要將形成有卡合用突起之構件的硬度設定為大於另一方構件的硬度即可。又，也可以事先在輪轂側連 結面以及構件側連結面雙方形成卡合用突起。此時，只要使雙方之構件的硬度大約相同即可。

7‧‧‧輪轂

16‧‧‧輪轂側連結面

20‧‧‧卡合用突起

20a‧‧‧中心軸線

20b‧‧‧外周面

20c‧‧‧頂面

Px、Py‧‧‧間距

Claims (4)

1. 一種諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，其特徵為：具有：連結於連結對象之構件的輪轂；形成在上述輪轂，抵接於上述連結對象之構件的構件側連結面的輪轂側連結面；以及依預定間距，形成在上述輪轂側連結面之預定尺寸的複數個卡合用突起，上述卡合用突起，是藉由在上述輪轂側連結面施以光蝕刻加工而一體形成的突起，上述輪轂側連結面以及上述卡合用突起的硬度為HRC45以上，上述卡合用突起，是從上述輪轂側連結面垂直突出之楔形形狀的突起，上述卡合用突起的前端係成為與上述輪轂側連結面平行之平坦的頂面，上述卡合用突起之與該突出方向正交的剖面形狀係為圓形、四角形或三角形，鄰接配置之上述卡合用突起的間距為0.2mm~0.5mm，上述卡合用突起之頂面的最大直徑或最大寬幅為0.01mm~0.05mm，上述卡合用突起的高度為上述卡合用突起之頂面的最大直徑或最大寬幅的1.0倍~1.2倍， 上述卡合用突起係藉由連結上述輪轂與連結對象之構件的連結螺栓的螺栓軸力，從與上述輪轂側連結面重疊的上述連結對象之構件側的構件側連結面咬入一直到預定的咬入深度為止。
2. 如申請專利範圍第1項所述之諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，其中，上述卡合用突起，是以每10mm²為40~250個的密度所配置。
3. 一種諧波齒輪裝置，其特徵為：具有：剛性內齒齒輪；可嚙合於上述剛性內齒齒輪的可撓性外齒齒輪；以及諧波產生器，該諧波產生器是將上述可撓性外齒齒輪彎曲成橢圓形，而部分嚙合於上述剛性內齒齒輪，隨著旋轉而使兩齒輪的嚙合位置朝向周方向移動，上述可撓性外齒齒輪是如申請專利範圍第1或2項所記載的可撓性外齒齒輪。
4. 一種可撓性外齒齒輪的連結方法，其係將諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪連結於連結對象的構件，其特徵為：將申請專利範圍第1或第2項所記載的上述可撓性外齒齒輪的上述輪轂側連結面，同軸地重疊在上述連結對象之構件的構件側連結面，使用連結螺栓來連結上述輪轂與上述連結對象的構件，藉由上述連結螺栓的螺栓軸力，使上述輪轂側連結面 的上述卡合用突起，從上述構件側連結面咬入到上述連結對象的構件，一直到預定的咬入深度為止。