TWI551791B - Harmonic generator and harmonic gear device - Google Patents

Description

諧波產生器及諧波齒輪裝置

本發明係關於一種諧波齒輪裝置，其圓筒狀的外齒齒輪係被橢圓形輪廓的諧波產生器彎折成橢圓形，而部分嚙合於第1、第2內齒齒輪。更進一步來說，是有關諧波產生器之橢圓形輪廓的改良。

扁平型的諧波齒輪裝置，一般而言係具備：被固定成不會旋轉的靜止側內齒齒輪；可旋轉驅動的驅動側內齒齒輪；可朝向半徑方向彎折的圓筒狀外齒齒輪；以及將外齒齒輪彎折成橢圓形的諧波產生器。被諧波產生器彎折成橢圓形的外齒齒輪係在橢圓形之長徑方向的兩端部，其齒交線方向之其中一側的外齒部分是嚙合於靜止側內齒齒輪，其齒交線方向之另一側的外齒部分則是嚙合於驅動側內齒齒輪。外齒齒輪的齒數係與驅動側內齒齒輪的齒數相同，但比靜止側內齒齒輪的齒數少2齒。

一旦旋轉輸入要素的諧波產生器旋轉，外齒齒輪與靜止側內齒齒輪的嚙合位置、以及外齒齒輪與驅動側內齒齒輪的嚙合位置就會朝向圓周方向移動。當諧波產 生器旋轉一圈，外齒齒輪就僅會旋轉對應於與靜止側內齒齒輪之齒數差的量。因為驅動側內齒齒輪的齒數與外齒齒輪相同，所以會與外齒齒輪變成一體而旋轉。諧波產生器的旋轉因應齒數差而減速，從減速旋轉輸出要素的驅動側內齒齒輪輸出減速旋轉。

扁平型諧波齒輪裝置的諧波產生器係具備：由橢圓形輪廓之剛性體所構成的諧波產生器插塞，在該諧波產生器插塞的外周面係安裝有：具有可撓性之內外輪的諧波產生器軸承。在專利文獻1中係記載一種具有2列滾珠的諧波產生器軸承，該2列滾珠係分別支撐著對應於靜止側內齒齒輪與驅動側內齒齒輪的外齒齒輪的部分。

在專利文獻2中係記載一種諧波產生器，該諧波產生器的諧波產生器插塞是由在軸線方向分割成一對的橢圓體所形成，各個橢圓體係分別透過諧波產生器軸承，將外齒齒輪彎折成橢圓形。一對橢圓體的形狀雖然相同，但是被設定成只相互旋轉預定角度的狀態。

在專利文獻3中係記載一種諧波產生器，該諧波產生器的諧波產生器插塞是由相同形狀的第1凸輪與第2凸輪所構成，第1、第2凸輪是被組裝成相互旋轉90度的狀態。

在專利文獻4中，係由本案發明人等提案了一種決定諧波產生器插塞之橢圓形輪廓的插塞形狀曲線。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]特開平5-132292號公報

[專利文獻2]實開平1-122543號公報

[專利文獻3]特開2013-15191號公報

[專利文獻4]特開平11-351341號公報

在以往的扁平型諧波齒輪裝置中，係使用單一的曲線來做為決定諧波產生器之橢圓形輪廓形狀的形狀曲線。亦即，外齒齒輪在齒交線方向的各部分被彎折成相同的橢圓形狀，嚙合於靜止側內齒齒輪與驅動側內齒齒輪雙方。或者是，如專利文獻2、3所記載般，在改變相同橢圓形狀之位相的狀態下，使外齒齒輪嚙合於靜止側與驅動側內齒齒輪。

相對旋轉的靜止側內齒齒輪與外齒齒輪、以及變成一體而旋轉的驅動側內齒齒輪與外齒齒輪，其之間的嚙合狀態、應力產生狀態等的機械性或力學性的特徵係為不同。在不考量這些相異點，而將外齒齒輪在該齒交線方向彎折成相同的橢圓形曲線時，在嚙合於靜止側內齒齒輪之外齒齒輪的部分所產生的應力分布狀態、產生應力的大小、變形狀態，是與在嚙合於驅動側內齒齒輪之外齒齒輪的部分所產生的應力分布狀態、產生應力的大小、變形狀態有極大的不同。

因此，在諧波產生器中，於支撐著嚙合於靜止側內齒齒輪之外齒齒輪的部分的諧波產生器軸承、以及支撐著嚙合於驅動側內齒齒輪之外齒齒輪的部分的諧波產生器軸承之間，其滾珠荷重分布有極大的不同，滾珠荷重的最大值也會變大。如此一來，諧波產生器軸承的壽命恐會下降。

在以往並沒有針對此點加以考量。關於使用諧波產生器來做為決定諧波產生器之輪廓形狀的形狀曲線，完全沒有著墨，也沒有提案，該諧波產生器是具備：適用於為了讓外齒齒輪嚙合於靜止側內齒齒輪，而將外齒齒輪彎折的形狀曲線；以及適用於為了讓外齒齒輪嚙合於驅動側內齒齒輪，而將外齒齒輪彎折的形狀曲線。

本發明的課題係為提供一種諧波齒輪裝置的諧波產生器，該諧波齒輪裝置的輪廓形狀係可將外齒齒輪彎折成適合於與靜止側內齒齒輪嚙合的形狀，並且可將外齒齒輪彎折成適合於與驅動側內齒齒輪嚙合的形狀。

此外，本發明的課題又提供一種具有新型諧波產生器的諧波齒輪裝置。

為了解決上述課題，本發明之諧波齒輪裝置的諧波產生器，係將可朝向半徑方向彎折的圓筒狀外齒齒輪彎折成橢圓形，使其部分嚙合於剛性之第1內齒齒輪與剛性之第2內齒齒輪雙方，該第2內齒齒輪是同軸地配置 在該第1內齒齒輪的旁邊，其特徵為：具有：第1諧波產生器部分，該第1諧波產生器部分係將上述外齒齒輪之齒交線方向之其中一側的第1外齒齒輪部分彎折成橢圓形，使其部分嚙合於上述第1內齒齒輪；以及第2諧波產生器部分，該第2諧波產生器部分係將上述外齒齒輪之齒交線方向之另一側的第2外齒齒輪部分彎折成橢圓形，使其部分嚙合於上述第2內齒齒輪，當n為正整數時，上述第1內齒齒輪的齒數係比上述外齒齒輪的齒數多2n齒，上述第2內齒齒輪的齒數係與上述外齒齒輪的齒數相同，上述第1諧波產生器部分係具備由第1橢圓形曲線所決定的橢圓形輪廓，上述第2諧波產生器部分係具備由第2橢圓形曲線所決定的橢圓形輪廓，上述第1橢圓形曲線的周長係與上述第2橢圓形曲線的周長相同，上述第1橢圓形曲線的長徑係與上述第2橢圓形曲線的長徑相同，上述第1橢圓形曲線的短徑係短於上述第2橢圓形曲線的短徑。

一般而言，上述第1諧波產生器部分係具備：具有第1橢圓形外周面的第1諧波產生器插塞；以及第1諧波產生器軸承，該第1諧波產生器軸承是安裝在該第1諧波產生器插塞的上述第1橢圓形外周面，且被彎折 成橢圓形。同樣地，上述第2諧波產生器部分係具備：具有第2橢圓形外周面的第2諧波產生器插塞；以及第2諧波產生器軸承，該第2諧波產生器軸承是安裝在該第2諧波產生器插塞的上述第2橢圓形外周面，且被彎折成橢圓形。此時，第1諧波產生器部分的第1橢圓形外周面是由第1橢圓形曲線所決定，第2諧波產生器部分的第2橢圓形外周面是由第2橢圓形曲線所決定。

接下來，本發明的諧波齒輪裝置，其特徵為：具有：剛性的內齒齒輪；配置在上述內齒齒輪之內側，可朝向半徑方向彎折的外齒齒輪；以及諧波產生器，該諧波產生器是將上述外齒齒輪彎折成橢圓形，使其部分嚙合於上述內齒齒輪，上述內齒齒輪係具備：第1內齒齒輪；以及同軸地配置在該第1內齒齒輪旁的第2內齒齒輪，上述外齒齒輪在其齒交線的其中一側係具有可嚙合於上述第1內齒齒輪的第1外齒齒輪部分，在上述齒交線方向的另一側係具有可嚙合於上述第2內齒齒輪的第2外齒齒輪部分，當n為正整數時，上述第1內齒齒輪的齒數係比上述外齒齒輪的齒數多2n齒，上述第2內齒齒輪的齒數係與上述外齒齒輪的齒數相同，上述諧波產生器在其軸線方向之其中一側係具有第1諧波產生器部分，該第1諧波產生器部分是將上述第1外 齒齒輪部分彎折成橢圓形，使其部分嚙合於上述第1內齒齒輪，在上述軸線方向的另一側則具有第2諧波產生器部分，該第2諧波產生器部分是將上述第2外齒齒輪部分彎折成橢圓形，使其部分嚙合於上述第2內齒齒輪，上述第1諧波產生器部分係具備由第1橢圓形曲線所決定的橢圓形輪廓，上述第2諧波產生器部分係具備由第2橢圓形曲線所決定的橢圓形輪廓，上述第1橢圓形曲線的周長係與上述第2橢圓形曲線的周長相同，上述第1橢圓形曲線的長徑係與上述第2橢圓形曲線的長徑相同，上述第1橢圓形曲線的短徑係短於上述第2橢圓形曲線的短徑。

在以諧波齒輪裝置做為減速機來使用時，一般而言，諧波產生器是當做旋轉輸入要素，將上述第1內齒齒輪做為固定成不旋轉的靜止側內齒齒輪，將上述第2內齒齒輪做為可旋轉的驅動側內齒齒輪的減速旋轉輸出要素。

本發明的諧波產生器係以沿著第1橢圓形曲線的方式來彎折第1外齒齒輪部分，並以沿著第2橢圓形曲線的方式來彎折第2外齒齒輪部分。藉由如此，第2內齒齒輪與第2外齒齒輪部分之間的嚙合位置，相較於第1 內齒齒輪與第1外齒齒輪部分之間的嚙合位置，是朝向橢圓形曲線的長徑位置那一側移動。

以沿著相同的橢圓形曲線來彎折第1、第2外齒齒輪部分時，即使第1內齒齒輪與第1外齒齒輪部分的嚙合狀態良好，第2內齒齒輪與第2外齒齒輪部分之間的嚙合也恐會發生齒輪前端相互影響等不良的情形。若根據本發明，即可防止或抑制此種弊害的發生，所以可將第1內齒齒輪與第1外齒齒輪部分之間的嚙合狀態、以及第2內齒齒輪與第2外齒齒輪部分之間的嚙合狀態維持在良好的狀態。

再者，若根據本發明，相較於使用僅由單一的橢圓形曲線來決定輪廓形狀之諧波產生器的場合，可抑制第1諧波產生器軸承的荷重分布、與第2諧波產生器軸承的荷重分布之間的差異，該第1諧波產生器軸承是支撐嚙合於第1內齒齒輪的第1外齒齒輪部分，該第2諧波產生器軸承是支撐嚙合於第2內齒齒輪之第2外齒齒輪部分。除此之外，還可使雙方的荷重分布平均化，也可降低最大發生應力。藉由如此，即可謀求提高諧波產生器軸承的使用壽命。

1‧‧‧諧波齒輪裝置

1a‧‧‧中心軸線

2S‧‧‧第1內齒齒輪

2D‧‧‧第2內齒齒輪

3S‧‧‧內齒

3D‧‧‧內齒

4‧‧‧外齒齒輪

4S‧‧‧第1外齒齒輪部分

4D‧‧‧第2外齒齒輪部分

4a‧‧‧外齒

5‧‧‧諧波產生器

5S‧‧‧第1諧波產生器部分

5D‧‧‧第2諧波產生器部分

6‧‧‧諧波產生器插塞

6S‧‧‧第1橢圓形外周面

6D‧‧‧第2橢圓形外周面

7S‧‧‧第1諧波產生器軸承

7D‧‧‧第2諧波產生器軸承

8a‧‧‧內輪

8b‧‧‧外輪

8c‧‧‧滾珠

C1‧‧‧第1橢圓形曲線

9a‧‧‧內輪

9b‧‧‧外輪

9c‧‧‧滾珠

C2‧‧‧第2橢圓形曲線

RL，RL1，RL2‧‧‧插塞長徑

RS1，RS2‧‧‧短徑

[圖1]為適用本發明之扁平型諧波齒輪裝置的立體圖。

[圖2](a)為圖1之諧波齒輪裝置的縱剖面圖，(b)為其分解立體圖。

[圖3](a)為決定圖1之諧波齒輪裝置之諧波產生器插塞的橢圓形外周面的第1、第2橢圓形曲線的圖表，(b)為諧波產生器插塞之橢圓形外周面形狀的模式說明圖。

以下茲參照圖面來說明適用本發明之扁平型諧波齒輪裝置的實施形態。圖1為有關本實施形態之扁平型諧波齒輪裝置的立體圖。圖2(a)為其縱剖面圖，圖2(b)為其分解立體圖。參照這些圖面來說明扁平型諧波齒輪裝置的全體構成。

諧波齒輪裝置1係具備：呈圓環狀之剛性的第1內齒齒輪2S、以及呈圓環狀之剛性的第2內齒齒輪2D。第1、第2內齒齒輪2S、2D是在中心軸線1a的方向上，僅分開些微空隙，並列配置成同軸狀態。第1內齒齒輪2S是靜止側內齒齒輪，以不旋轉的方式被固定在無圖示的固定側構件。第2內齒齒輪是可旋轉的驅動側內齒齒輪。

在靜止側的第1內齒齒輪2S與驅動側之第2內齒齒輪2D的內側，係以同軸狀態配置有可朝向半徑方向彎折的圓筒狀外齒齒輪4。一旦外齒齒輪4被彎折成橢圓形，即可在其橢圓形之長徑位置的兩端部分嚙合於第1 內齒齒輪2S與第2內齒齒輪2D。當n為正整數時，第1內齒齒輪2S的齒數係比外齒齒輪4的齒數多2n齒，第2內齒齒輪2D的齒數係與外齒齒輪4的齒數相同。一般而言，第1內齒齒輪2S的齒數係比外齒齒輪4的齒數多2齒(n=1)。

外齒齒輪4以其齒幅方向(中心軸線1a的方向)的中心位置為邊界，與第1內齒齒輪2S之內齒3S對向的部分為第1外齒齒輪部分4S，與第2內齒齒輪2D之內齒3D對向的部分為第2外齒齒輪部分4D。換言之，外齒齒輪4的各外齒4a係以其齒幅方向的中心位置為邊界，具有：與第1內齒齒輪2S之內齒3S對向的外齒部分、以及與第2內齒齒輪2D之內齒3D對向的外齒部分。

在外齒齒輪4的內側係安裝有諧波產生器5。外齒齒輪4是被諧波產生器5彎折成橢圓形，在其橢圓形狀之長徑方向的兩端部與第1內齒齒輪2S以及第2內齒齒輪2D嚙合。圖2(a)的縱剖面圖係顯示被平面所切斷的場合，該平面是包括了：中心軸線1a、以及被彎折成橢圓形之外齒齒輪的長徑。

諧波產生器5係具備：配置在中心軸線1a方向之其中一側的第1諧波產生器部分5S；以及配置在另一側的第2諧波產生器部分5D。第1諧波產生器部分5S是安裝在第1外齒齒輪部分4S的內側，將該第1外齒齒輪部分4S彎折成橢圓形，使其部分嚙合於第1內齒齒輪 2S。第2諧波產生器部分5D是安裝在第2外齒齒輪部分4D的內側，將該第2外齒齒輪部分4D彎折成橢圓形，使其部分嚙合於第2內齒齒輪2D。

第1諧波產生器部分5S係具備：與第2諧波產生器部分5D有共通剛性的諧波產生器插塞6；以及安裝在該諧波產生器插塞6之橢圓形外周面的第1諧波產生器軸承7S。同樣地，第2諧波產生器部分5D係具備：諧波產生器插塞6；以及安裝在該橢圓形外周面的第2諧波產生器軸承7D。諧波產生器插塞6的橢圓形外周面係以中心軸線1a方向的中心位置為邊界，其中一側成為由第1橢圓形曲線C1(參照圖3(a))所決定的第1橢圓形外周面6S，另一側成為由第2橢圓形曲線C2(參照圖3(a))所決定的第2橢圓形外周面6D。

第1諧波產生器軸承7S係具備：可朝向半徑方向彎折的內輪8a與外輪8b；以及以可轉動的方式被安裝在該內輪與外輪之間的圓環狀軌道內的複數個滾珠8c。第1諧波產生器軸承7S係安裝在諧波產生器插塞6的第1橢圓形外周面6S，被彎折成橢圓形。第1外齒齒輪部分4S藉由被彎折成橢圓形的外輪8b，大致沿著第1橢圓形曲線C1，被彎折成橢圓形。

同樣地，第2諧波產生器軸承7D係具備：可朝向半徑方向彎折的內輪9a與外輪9b；以及以可轉動的方式被安裝在該內輪與外輪之間的圓環狀軌道內的複數個滾珠9c。第2諧波產生器軸承7D係安裝在諧波產生器插 塞6的第2橢圓形外周面6D，被彎折成橢圓形。第2外齒齒輪部分4D藉由被彎折成橢圓形的外輪9b，大致沿著第2橢圓形曲線C2，被彎折成橢圓形。

接下來，參照圖3來說明第1橢圓形曲線C1以及第2橢圓形曲線C2。圖3(a)係為諧波產生器的第1、第2橢圓形曲線C1、C2的圖表。在圖示的圖表中，橫軸係顯示從諧波產生器插塞6之插塞長徑位置的角度，縱軸係以相對於插塞長徑RL的比例來表示諧波產生器插塞6的動徑。圖3(b)為諧波產生器插塞6之第1、第2橢圓形外周面6S、6D的模式說明圖，該諧波產生器插塞6是由這些曲線C1、C2所決定。

從這些圖式即可得知：在本例中，諧波產生器插塞6的第1、第2橢圓形外周面6S、6D的長徑位置是被設定成同一位置。長徑位置也可以設定為不同位置。例如：如專利文獻3中所記載般，可將第1橢圓形外周面6S的長徑位置設定成第2橢圓形外周面6D的短徑位置。

決定第1橢圓形外周面6S的第1橢圓形曲線C1、以及決定第2橢圓形外周面6D的第2橢圓形曲線C2，係被設定為滿足以下的條件1~3。

(條件1)第1、第2橢圓形曲線C1、C2的周長係為相同。

(條件2)第1、第2橢圓形曲線C1、C2的長徑RL1、RL2，係為相同尺寸的長徑RL。

(條件3)第1橢圓形曲線C1的短徑RS1係短於第 2橢圓形曲線C2的短徑RS2。

例如：藉由將專利文獻4中所記載之決定諧波產生器插塞的形狀曲線的各係數設定成滿足這些條件，即可決定第1、第2橢圓形曲線C1、C2。具體的第1、第2橢圓形曲線C1、C2，可依據諧波齒輪裝置1的型號、減速比、作用負荷等，個別設定成使其滾珠荷重分布的偏差與等價滾珠荷重變成最小。

以如此構成的扁平型諧波齒輪裝置1來做為減速機使用時，一般而言，以諧波產生器5為旋轉輸入要素，將其固定在無圖示的馬達軸等。以第2內齒齒輪3為被固定在無圖示之被驅動構件的減速旋轉輸出要素。一旦諧波產生器5旋轉，第1外齒齒輪部分4S與第1內齒齒輪2S的嚙合位置、以及第2外齒齒輪部分4D與第2內齒齒輪2D的嚙合位置，就會朝向圓周方向移動。當諧波產生器5旋轉一圈，外齒齒輪4只會旋轉其與第1內齒齒輪2S之間之齒數差的角度。因為第2內齒齒輪2D的齒數是與外齒齒輪4相同，所以與外齒齒輪4成為一體而旋轉。因此，諧波產生器5的旋轉會以對應齒數差的減速比來減速，從第2內齒齒輪2D輸出減速旋轉。再者，也可以第1內齒齒輪為驅動側內齒齒輪，以第2內齒齒輪為靜止側內齒齒輪。

在本例的諧波齒輪裝置1中，諧波產生器5的第1諧波產生器部分5S與第2諧波產生器部分5D之橢圓形外周面的形狀是被決定好的。這和以往使用具有由 單一之橢圓形曲線所決定的外周面的諧波產生器相較，更可將第1內齒齒輪2S與第1外齒齒輪部分4S之間的嚙合狀態、以及第2內齒齒輪2D與第2外齒齒輪部分4D之間的嚙合狀態維持在良好的狀態。

此外，也可謀求第1、第2諧波產生器部分之諧波產生器軸承7S、7D的滾珠分布荷重的平均化、以及降低等價滾珠荷重。藉由如此，即可延長諧波產生器軸承7S、7D的使用壽命，延長諧波產生器5的使用壽命，因此可達成延長諧波齒輪裝置1的使用壽命。

再者，上述的實施例雖是使用滾珠軸承來做為諧波產生器軸承，但本發明亦同樣適用於使用針型軸承、滾珠軸承等的場合。

C1‧‧‧第1橢圓形曲線

C2‧‧‧第2橢圓形曲線

6D‧‧‧第2橢圓形外周面

6S‧‧‧第1橢圓形外周面

RL(RL1，RL2)‧‧‧插塞長徑

RS1，RS2‧‧‧短徑

Claims (4)

1. 一種諧波齒輪裝置的諧波產生器，其係將可朝向半徑方向彎折的圓筒狀外齒齒輪彎折成橢圓形，使其部分嚙合於剛性的第1內齒齒輪以及剛性的第2內齒齒輪雙方，該第2內齒齒輪係同軸地配置在該第1內齒齒輪的旁邊，其特徵為：具有：第1諧波產生器部分，該第1諧波產生器部分係將上述外齒齒輪之齒交線方向之其中一側的第1外齒齒輪部分彎折成橢圓形，使其部分嚙合於上述第1內齒齒輪；以及第2諧波產生器部分，該第2諧波產生器部分係將上述外齒齒輪之齒交線方向之另一側的第2外齒齒輪部分彎折成橢圓形，使其部分嚙合於上述第2內齒齒輪，當n為正整數時，上述第1內齒齒輪的齒數係比上述外齒齒輪的齒數多2n齒，上述第2內齒齒輪的齒數係與上述外齒齒輪的齒數相同，上述第1諧波產生器部分係具備由第1橢圓形曲線所決定的橢圓形輪廓，上述第2諧波產生器部分係具備由第2橢圓形曲線所決定的橢圓形輪廓，上述第1橢圓形曲線的周長係與上述第2橢圓形曲線的周長相同，上述第1橢圓形曲線的長徑係與上述第2橢圓形曲線的長徑相同，上述第1橢圓形曲線的短徑係短於上述第2橢圓形曲 線的短徑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之諧波齒輪裝置的諧波產生器，其中，上述第1諧波產生器部分係具備：具有由上述第1橢圓形曲線所決定之第1橢圓形外周面的第1諧波產生器插塞；以及第1諧波產生器軸承，該第1諧波產生器軸承是安裝在該第1諧波產生器插塞的上述第1橢圓形外周面，且被彎折成橢圓形，上述第2諧波產生器部分係具備：具有由上述第2橢圓形曲線所決定之第2橢圓形外周面的第2諧波產生器插塞；以及第2諧波產生器軸承，該第2諧波產生器軸承是安裝在該第2諧波產生器插塞的上述第2橢圓形外周面，且被彎折成橢圓形。
3. 一種諧波齒輪裝置，其特徵為：具有：剛性的內齒齒輪；配置在上述內齒齒輪之內側，可朝向半徑方向彎折的外齒齒輪；以及諧波產生器，該諧波產生器是將上述外齒齒輪彎折成橢圓形，使其部分嚙合於上述內齒齒輪，上述內齒齒輪係具備：第1內齒齒輪；以及同軸地配置在該第1內齒齒輪旁邊的第2內齒齒輪，上述外齒齒輪在其齒交線的其中一側係具有可嚙合於上述第1內齒齒輪的第1外齒齒輪部分，在上述齒交線方向的另一側係具有可嚙合於上述第2內齒齒輪的第2外齒齒輪部分，當n為正整數時，上述第1內齒齒輪的齒數係比上述 外齒齒輪的齒數多2n齒，上述第2內齒齒輪的齒數係與上述外齒齒輪的齒數相同，上述諧波產生器係為申請專利範圍第1或2項所述的諧波產生器。
4. 如申請專利範圍第3項所述的諧波齒輪裝置，其中，上述第1內齒齒輪係為被固定成不會旋轉的靜止側內齒齒輪，上述第2內齒齒輪係為可旋轉的驅動側內齒齒輪。