TWI608183B

TWI608183B - 諧波齒輪裝置及中空型旋轉致動器

Info

Publication number: TWI608183B
Application number: TW102143008A
Authority: TW
Inventors: 矢島喜一
Original assignee: 和諧驅動系統股份有限公司
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2017-12-11
Also published as: US20140283638A1; KR102124471B1; KR20140114743A; CN104061300A; DE102013114692A1; CN104061300B; US9644727B2; TW201437518A

Description

諧波齒輪裝置及中空型旋轉致動器

本發明係關於一種具備將可撓性外齒齒輪支撐在使之相對於剛性內齒齒輪能夠相對旋轉自如之狀態下的軸承之諧波齒輪裝置及中空型旋轉致動器。更詳言之，係關於一種諧波齒輪裝置之可撓性外齒齒輪和軸承的固定構造。

一般作為減速機來使用的諧波齒輪裝置，係具備裝置外殼(housing)、剛性內齒齒輪、可撓性外齒齒輪及諧波產生器。剛性內齒齒輪係固定於裝置外殼。可撓性外齒齒輪，係中介交叉滾子軸承(cross roller bearing)等的軸承，在旋轉自如之狀態下由裝置外殼所支撐。

作為諧波齒輪裝置，為人所知的有一種具備杯形狀之可撓性外齒齒輪的杯型諧波齒輪裝置。杯形狀之可撓性外齒齒輪，係具備：可撓性之圓筒狀軀幹部；及從該一端延伸至內側的膜片(diaphragm)；以及連續於該內周緣所形成的剛性輪轂(boss)。在圓筒狀軀幹部之開口端側的外周面部分形成有外齒。在該構成之可撓性外齒齒輪中，其剛性輪轂是固定在軸承之內座圈。

作為可撓性外齒齒輪之剛性輪轂和軸承之內座圈的固定構造，為人所知的有由螺釘所構成的固定構造(專利文獻1、2)、使用螺釘及頂出銷(knock pin)的固定構造(專利文獻3、4)、對於由螺釘及頂出銷所構成之固定構造輔助性地使用接著劑的固定構造(專利文獻4)。

另一方面，作為中空型旋轉致動器，為人所知的有由中空馬達和杯型諧波齒輪裝置所構成者。在此種的中空型旋轉致動器中，係在中空馬達軸之內側配置套筒(sleeve)，藉此防止從諧波齒輪裝置往中空部內的漏油(專利文獻5、6)。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開2002-31150號公報

專利文獻2：日本特開2002-21866號公報

專利文獻3：日本特開2001-336588號公報

專利文獻4：日本特開2000-9191號公報

專利文獻5：日本特開2006-144971號公報

專利文獻6：日本特開2001-304382號公報

在藉由螺釘來固定可撓性外齒齒輪之剛性輪轂和軸承內座圈的習知技術之固定構造中，為了獲得充分的固定強度，有必要在雙方零件之間確保充分的螺入量。由於無法將螺釘固定部分之軸線方向的長度縮短至預定值以下，所以會成為縮短諧波齒輪裝置之軸線方向的長度以謀求諧波齒輪裝置之扁平化的情況之障礙。又，需要對剛性輪轂之外周面的公螺紋加工、對軸承內座圈之內周面的母螺紋加工、藉由螺入雙方之零件所組裝的作業等，藉此有零件之加工工時及組裝工時較多的問題。

本發明之課題係有鑑於此種問題點而提供一種可以藉由簡單構成來固定可撓性外齒齒輪之剛性輪轂和軸承內座圈，且可以確實地封閉此等之間的諧波齒輪裝置。又，本發明之課題係在於提案一種具備此種新諧波齒輪裝置的中空型旋轉致動器。

為了解決上述課題，本發明之諧波齒輪裝置，其特徵為，具有：剛性內齒齒輪；及可撓性外齒齒輪；及諧波產生器；及軸承，其係將前述可撓性外齒齒輪支撐在使之相對於前述剛性內齒齒輪能夠相對旋轉自如之狀態下；以及第1熔接部，其係將前述可撓性外齒齒輪中的剛性之輪轂和前述軸承之內座圈相互地固定，前述第1熔接部，為將前述輪轂與前述內座圈之間封閉成液密狀態的全周熔接部。

在此，前述第1熔接部較佳為雷射熔接部。

本發明之諧波齒輪裝置係可以構成如下。亦即，本發明之諧波齒輪裝置，係具有：裝置外殼；以及形成於前述軸承之前述內座圈的內座圈中心貫通孔，前述剛性內齒齒輪係固定於前述裝置外殼之內周部，前述可撓性外齒齒輪係配置於前述剛性內齒齒輪之內側，且在透過前述軸承而旋轉自如之狀態下，由前述裝置外殼所支撐，前述諧波產生器係配置於前述可撓性外齒齒輪之內側，前述可撓性外齒齒輪之前述輪轂，係裝設於前述內座圈之前述內座圈中心貫通孔，前述內座圈的端面以及該輪轂之端面，是分別在裝置軸線方向朝向外側露出，前述第1熔接部，係在前述內座圈之內周面與前述輪轂之外周面之間，及於全周地形成於前述輪轂之前述端面之側的部位。

軸承之內座圈和可撓性外齒齒輪之輪轂，係藉由第1熔接部、例如由雷射熔接所構成的第1熔接部而相互地固定。因而，比起藉由螺釘來固定雙方之零件的情況，還可以縮短此等零件之軸線方向的長度。又，雖然需要雙方零件之熔接工序，但是不需要雙方零件之螺釘加工，且不需要將一方之零件螺入另一方之零件的組裝工序。

更且，由於第1熔接部為全周熔接，所以該第1熔接部能發揮作為油封的功能，且能防止來自內座圈與輪轂之間的漏油。沒有必要配置作為不同構件的油封。此外，由於內座圈與輪轂之熔接部位，在裝置軸線方向，是露出於裝置前端側或是後端側，所以可以簡單進行內座圈與輪轂之熔接作業。

因而，依據本發明，整體可以縮短內座圈及輪轂之加工時間，可以減少雙方之組裝工時，可以減少組裝零件之數量。

本發明之諧波齒輪裝置，係在中空型的情況，具有：第1中空部，其係將前述諧波產生器朝向裝置中心軸線之方向貫通而延伸；及第2中空部，其係將前述輪轂朝向前述裝置中心軸線之方向貫通而延伸；以及套筒，其係配置成貫通前述第1、第2中空部的狀態。

在此情況下，係具有將前述套筒固定於前述輪轂的第2熔接部，而前述第2熔接部，較佳為將前述套筒與前述輪轂之間封閉成液密狀態的全周熔接部。又，前述第1熔接部，較佳是形成於前述輪轂之前述端面之側。

藉由此構成，可以簡單進行套筒對輪轂之固定。又，亦可以防止來自輪轂與套筒之間的漏油。更且，由於套筒和輪轂之熔接部位，在裝置軸線方向，是露出於裝置前端側或是後端側，所以可以簡單進行套筒和輪轂之熔接作業。

其次，本發明之中空型旋轉致動器，其特徵為，具有：在同軸狀態下，配置於致動器後側的馬達；以及配置於致動器前側的諧波齒輪裝置，前述馬達，係具備：馬達外殼；以及從前述馬達外殼之前側端板朝向致動器前側突出的中空馬達軸，前述諧波齒輪裝置，係具備：固定於前述馬達外殼的裝置外殼；及軸承；及固定於前述裝置外殼之內周部的剛性內齒齒輪；及配置於前述剛性內齒齒輪之內側，且在透過前述軸承而旋轉自如之狀態下由前述裝置外殼所支撐的可撓性外齒齒輪；以及配置於前述可撓性外齒齒輪之內側的諧波產生器，前述可撓性外齒齒輪，係具備：使前述馬達之側成為開口端的圓筒狀軀幹部；及從與前述圓筒狀軀幹部中的前述開口端為相反側之端部朝向半徑方向之內側延伸的膜片；及連續形成於前述膜片之內周緣的圓環狀之剛性的輪轂；以及形成於前述圓筒狀軀幹部之前述開口端側之外周面部分的外齒，從前述中空馬達軸中之前述前側端板朝向前方突出的軸前端部，係延伸至前述可撓性外齒齒輪之前述圓筒狀軀幹部內，前述諧波產生器，係具備固定於前述軸前端部之外周部的圓筒狀之剛性插塞，前述軸承，係具備：固定於前述裝置外殼中的前述致動器前側之端部的外座圈；以及可供前述輪轂裝設的中心貫通孔，前述內座圈之前述致動器前側的圓環狀端面及前述輪轂之前述致動器前側的圓環狀端面，係分別露出於致動器前端側，在前述內座圈之內周面與前述輪轂之外周面之間，係在前述致動器前端側之部位，及於全周地形成有第1雷射熔接部，藉由前述第1雷射熔接部，能使前述輪轂固定於前述內座圈，藉由前述第1雷射熔接部，能使前述內座圈之內周面與前述輪轂之外周面之間，封閉成液密狀態。

在本發明之中空型旋轉致動器中，較佳為具有：套筒，其係貫通前述中空馬達軸之中空部、前述輪轂之中空部及前述諧波產生器之中空部，並從前述致動器前端面延伸至致動器後端面，藉由前述套筒之內周面，形成有開口於致動器前端及致動器後端的致動器中空部，在前述套筒中之露出於前述致動器前端之側的前端部之外周面與前述輪轂之內周面之間，係及於全周地形成有第2雷射熔接部，藉由前述第2雷射熔接部，能使前述套筒之前述前端部固定於前述輪轂，藉由前述第2雷射熔接部，能使前述前端部之外周面與前述輪轂之內周面之間，封閉成液密狀態。

在此，本發明之中空型旋轉致動器，較佳為具備：第1油封，其係將前述套筒中之露出於前述致動器後端之側的後端部、與限定前述致動器後端的前述馬達外殼之後側端板之間予以封閉；及第2油封，其係將前述馬達外殼之前述前側端板與前述中空馬達軸之間予以封閉；以及第3油封，其係將前述剛性插塞與前述輪轂之間予以封閉。

又，本發明之中空型旋轉致動器，較佳為具備：圓環狀之外側密封座，其係安裝於前述輪轂中之致動器後端之側的端面；以及圓筒狀之內側密封座，其係從前述剛性插塞中之前述致動器前端之側的端面沿著前述套筒之外周面而朝向致動器前方延伸，在前述外側密封座與前述內側密封座之間，係裝設有前述第3油封。

1、1A、1B‧‧‧中空型旋轉致動器(致動器)

1a‧‧‧致動器中心軸線(裝置軸線)

1b‧‧‧致動器後端面

1c‧‧‧致動器前端面(裝置端面)

2‧‧‧中空馬達

3、3A、3B‧‧‧中空諧波齒輪裝置(減速機)

21‧‧‧馬達外殼

21a‧‧‧圓筒部

21b‧‧‧端板

21c‧‧‧中心貫通孔

22‧‧‧中空馬達軸

22a‧‧‧大徑軸部

22b‧‧‧後端側軸部

22c‧‧‧軸端部

23‧‧‧驅動磁鐵

24‧‧‧驅動線圈

25‧‧‧編碼器盒

25a‧‧‧盒端板

26‧‧‧編碼器機構

27‧‧‧前側主軸承

28‧‧‧編碼器支撐板

29‧‧‧後側主軸承

31、31A‧‧‧裝置外殼

32、32A‧‧‧剛性內齒齒輪

33‧‧‧可撓性外齒齒輪

33a‧‧‧圓筒狀軀幹部

33b‧‧‧膜片

33c‧‧‧輪轂

33d‧‧‧外齒

33e‧‧‧圓環狀端面

33f‧‧‧端面

34‧‧‧諧波產生器

34a‧‧‧剛性插塞

34b‧‧‧波浪型軸承

34c‧‧‧插塞本體部

34d‧‧‧圓筒部

35‧‧‧交叉滾子軸承

35a‧‧‧外座圈

35b‧‧‧內座圈

35c‧‧‧滾子

35d‧‧‧圓環狀端面

35e‧‧‧段差面

35f‧‧‧中心貫通孔

36、37、61、63‧‧‧緊固螺栓

38‧‧‧第1熔接部(第1雷射熔接部、雷射熔接部)

40‧‧‧唇封

41‧‧‧套筒

41a‧‧‧中空部

41b‧‧‧前端部

41c‧‧‧後端部

42‧‧‧第2熔接部(第2雷射熔接部、雷射熔接部)

51‧‧‧第1油封

52‧‧‧第2油封

53‧‧‧第3油封

54‧‧‧外側密封座

62‧‧‧雷射熔接部

第1A圖係適用本發明的中空型旋轉致動器之概略剖視圖。

第1B圖係第1A圖所示的中空型旋轉致動器之前側的端面圖。

第2圖係顯示第1A圖所示的中空型旋轉致動器之變化例的概略剖視圖。

第3圖係顯示第1A圖所示的中空型旋轉致動器之變化例的概略剖視圖。

以下，參照圖式，說明適用本發明的中空型旋轉致動器之實施形態。

第1A圖為中空型旋轉致動器之概略剖視圖，第1B圖為其前側的端面圖。中空型旋轉致動器1(以下，簡稱為「致動器1」)，係具備：中空馬達2、例如中空型之AC伺服馬達；以及杯型之中空諧波齒輪裝置3。中空馬達2及中空諧波齒輪裝置3係在同軸狀態下鄰接配置於致動器中心軸線1a之方向(裝置軸線1a之方向)。在以下之說明中，由於是使用中空諧波齒輪裝置3作為減速機，所以也有將中空諧波齒輪裝置3簡稱為「減速機3」的情況。

中空馬達2，係具備：圓筒狀之馬達外殼 21；以及在該馬達外殼21之內側配置成同軸狀態的中空馬達軸22。中空馬達軸22係能夠繞致動器中心軸線1a而旋轉。在中空馬達軸22之軸線方向的中央部分係形成有大徑軸部22a，在大徑軸部22a之外周係裝設有圓環狀之驅動磁鐵23。能藉由大徑軸部22a和驅動磁鐵23而構成馬達轉子。在馬達外殼21之圓筒部21a的內周部係裝設有圓環狀之驅動線圈24。能藉由圓筒部21a和驅動線圈24而構成馬達定子。

在馬達外殼21之圓筒部21a的後端係固定有同一外徑的圓筒狀之編碼器盒(encoder case)25。編碼器盒25之後端係藉由盒端板25a而封鎖。能藉由盒端板25a之外側端面而限定致動器後端面1b。在編碼器盒25之內部，於該編碼器盒25與中空馬達軸22的後端側軸部22b之間，組入有編碼器機構26。能藉由編碼器機構26，而獲得中空馬達22之原點位置、旋轉角度位置等的旋轉資訊。

在馬達外殼21之前側的端板21b，係形成有中心貫通孔21c。中空馬達軸22之前端側的軸端部22c，係通過中心貫通孔21c而朝向致動器前方突出。中空馬達軸22，係能藉由裝設於端板21b之中心貫通孔21c之內周面的前側主軸承27而支撐在旋轉自如之狀態下。又，能藉由裝設於已固定在編碼器盒25之內周面的編碼器支撐板28之內周面的後側主軸承29而支撐在旋轉自如之狀態下。

減速機3，係具備：圓環狀之裝置外殼31；及固定於該裝置外殼31之內周部的剛性內齒齒輪32；及配置於剛性內齒齒輪32之內側的杯形狀之可撓性外齒齒輪33；以及配置於該可撓性外齒齒輪33之內側的諧波產生器34。可撓性外齒齒輪33，係中介交叉滾子軸承(cross roller bearing)35，並藉由裝置外殼31而支撐在旋轉自如之狀態下。裝置外殼31係由例如鋁系素材所構成。剛性內齒齒輪32、可撓性外齒齒輪33、諧波產生器34、及交叉滾子軸承35，係由例如鐵系素材所構成。

裝置外殼31，係在馬達外殼21之端板21b的前側端面之外周側部分，藉由緊固螺栓(fastening bolt)36(圖中以一點鏈線所示)而鎖緊連結固定。由鐵系素材所構成的剛性內齒齒輪32，係在裝置外殼31之內周部，藉由澆鑄法(casting)，而一體成形。

杯形狀之可撓性外齒齒輪33，係具備：開口於致動器後方的圓筒狀軀幹部33a；及從該圓筒狀軀幹部33a中的致動器前側之端朝向內側延伸的膜片33b；及連續於膜片33b之內周緣並朝向前方延伸的圓環狀之剛性的輪轂33c；以及形成於圓筒狀軀幹部33a之開口端側之外周面部分的外齒33d。

在可撓性外齒齒輪33之圓筒狀軀幹部33a的內部，係從其開口端之側，延伸有中空馬達軸22之軸端部22c。在軸端部22c之外周，固定有諧波產生器34。諧波產生器34，係具備：圓筒狀之剛性插塞34a；及裝設於該剛性插塞34a之外周的波浪型軸承(wave bearing)34b。剛性插塞34a，係具備：固定於軸端部22c之外周之具備橢圓狀之外周面的插塞本體部34c；以及從該插塞本體部34c之前端的內周緣部分朝向前方延伸的圓筒部34d。圓筒部34d之內徑，係與中空馬達軸22之軸端部22c的內徑大致相同。

波浪型軸承34b，為具備可撓性之內座圈及外座圈的滾珠軸承(ball bearing)，能藉由橢圓形之插塞本體部34c而撓曲成橢圓狀。形成有可撓性外齒齒輪33之外齒33d的部分，係能藉由諧波產生器34而撓曲成橢圓狀，而在橢圓的長軸方向之二個部位，外齒33d是咬合於剛性內齒齒輪32之內齒32a。

交叉滾子軸承35，係具備：固定於裝置外殼31的外座圈35a；及固定於可撓性外齒齒輪33之輪轂33c的內座圈35b；以及插入於外座圈35a及內座圈35b之間的複數個滾子35c。外座圈35a，係在裝置外殼31之前側的圓環狀端面之內周緣側，與唇封(lip seal)40，一起藉由緊固螺栓37而鎖緊連結固定。

交叉滾子軸承35之內座圈35b為圓環狀構件，而其前側的圓環狀端面35d之內周側部分係成為後退一階的圓形之段差面35e。在開口於該段差面35e之中心部分的中心貫通孔35f，係從後側裝設有輪轂33c。段差面35e和輪轂33c之前側的圓環狀端面33e係位在同一平面上，用以限定致動器前端面(裝置端面)1c之內周側部分。

內座圈35b之後側部分，係在與外座圈35a之間形成滾子軌道，在此，滾子35c是在轉動自如之狀態下插入。又，該後側部分之內周面，係對杯形狀之可撓性外齒齒輪33的圓筒狀軀幹部33a以一定間隔從外側對峙。

在此，內座圈35b和輪轂33c，係藉由第1雷射熔接部38而相互地固定。亦即，在內座圈35b之中心貫通孔35f的圓形內周面與輪轂33c的圓形外周面之間，係於露出於致動器前端面1c的內座圈之段差面35e及輪轂的圓環狀端面33e之側的圓形內周面及圓形外周面之部位，形成有及於全周地延伸之作為第1熔接部的雷射熔接部38。第1熔接部亦能夠為雷射熔接以外的熔接部。藉由第1雷射熔接部38，內座圈35b和輪轂33c能彼此強固地固定。又，藉由作為全周熔接部的第1雷射熔接部38，內座圈35b的內周面與輪轂33c的外周面之間能在液密狀態下封閉。藉此，能防止來自此等之間的漏油。

其次，套筒41，係貫通中空馬達軸22之中空部、諧波產生器34之中空部、及輪轂33c之中空部而延伸。藉由套筒41之中空部41a，能形成開口於致動器前端面1c及致動器後端面1b的致動器中空部。

露出於套筒41之致動器前端面1c的前端部41b之外周面與輪轂33c之內周面之間，係形成有及於全周地延伸之作為第2熔接部的雷射熔接部42。作為第2 熔接部亦能夠為雷射熔接以外的熔接部。藉由該第2雷射熔接部42，套筒41之前端部能固定於輪轂33c。又，藉由作為全周熔接部的第2雷射熔接部42，輪轂33c的內周面與套筒41的外周面之間能在液密狀態下封閉。藉此，能防止來自此等之間的漏油。

在此，套筒41中之露出於致動器後端面1b的後端部41c、與限定致動器後端面1b的盒端板25a之間，係能藉由第1油封51而封閉。又，馬達外殼21的前側端板21b與中空馬達軸22之間，係能藉由第2油封52而封閉。更且，剛性插塞34a與輪轂33c之間，係能藉由第3油封53而封閉。

第3油封53之裝設部係構成如下。在輪轂33c中的致動器後側之端面33f，係安裝有圓環狀之外側密封座54。從剛性插塞34a中的致動器前側之端面，係沿著套筒41之外周面，朝向致動器前方而延伸有圓筒部34d。該圓筒部34d，係發揮作為內側密封座的功能。在此等之間，係裝設有第3油封53。

因而，藉由第1、第3油封51、53和套筒41，能防止從減速機3之側往致動器中空部41a內的漏油。又，藉由第2油封52，能防止從減速機3之側往中空馬達2內部的漏油。更且，藉由第1、第2雷射熔接部38、42，能防止往致動器前端面1c之側的漏油。

(其他的實施形態)

第2圖係顯示上述中空型旋轉致動器1之變化例的概略剖視圖，且僅顯示其上半部分。由於本例的中空型旋轉致動器1A之基本構成係與第1圖的中空型旋轉致動器1相同，所以在對應的部位係附記同一符號，且省略其等的說明。

在中空型旋轉致動器1A中，減速機3A之剛性內齒齒輪32A，是能藉由緊固螺栓61而鎖緊連結固定於裝置外殼31A。交叉滾子軸承35之外座圈35a，係與第1A圖所示的情況同樣，能藉由緊固螺栓37而固定於裝置外殼31。

可撓性外齒齒輪33之輪轂33c是藉由雷射熔接，而固定於交叉滾子軸承35之內座圈35b。因而，可以減少此等零件之加工工時，同時亦容易進行此等零件之組裝作業。

其次，第3圖係顯示第1圖所示的中空型旋轉致動器1之另一變化例的概略剖視圖，且僅顯示其上半部分。由於本例的中空型旋轉致動器1B之基本構成係與第1圖的中空型旋轉致動器1相同，所以在對應的部位係附記同一符號，且省略其等的說明。

在中空型旋轉致動器1B中，減速機3B之剛性內齒齒輪32A，是能藉由緊固螺栓61而鎖緊連結固定於裝置外殼31A。又，交叉滾子軸承35之外座圈35a，係能藉由沿著其外周面所形成的雷射熔接部62，而固定於減速機裝置外殼31A。配置於外座圈35a與內座圈35b中的致動器前側之端面的唇封40，係能藉由緊固螺栓63而固定於外座圈35a。減速機裝置外殼31A和外座圈35a之雷射熔接，係可以在此等材質適於熔接的情況下採用。藉由使用雷射熔接，外座圈35a對減速機裝置外殼31A的組裝作業就變得容易。

此外，可撓性外齒齒輪33之輪轂33c是藉由雷射熔接，而固定於交叉滾子軸承35之內座圈35b，而交叉滾子軸承35之外座圈35a亦是藉由雷射熔接而固定於裝置外殼31A。因而，可以減少此等零件之加工工時，同時亦能輕易地進行此等零件之組裝作業。

其次，在上述之例中，係使用交叉滾子軸承35。亦能夠使用單排或是多排之滾珠軸承等其他形式的軸承，取代交叉滾子軸承35。

又，上述之例，係將本發明適用於中空型的旋轉致動器。同樣亦能夠將本發明適用於諧波齒輪裝置單體。例如，在組入於上述旋轉致動器1、1A的中空型之諧波齒輪裝置3中，可以將該可撓性外齒齒輪之輪轂藉由雷射熔接而固定於軸承之內座圈。亦能夠同樣將本發明適用於減速機以外之用途、例如用於增速、相位調整等用途的諧波齒輪裝置中。

更且，在上述之例中，係形成雷射熔接部。亦能夠使用在真空中進行熔接的電子束熔接，來取代雷射熔接。既能夠使用一般的電弧熔接，又能夠依情況而並用雷射熔接和電弧熔接。

1‧‧‧中空型旋轉致動器(致動器)