TWI623695B - Harmonic gear unit - Google Patents

Abstract

本課題為提供一種：可發揮平面型的形狀優點，並且不須高度的尺寸精度或特別的調整機構，即可實現理想嚙合的諧波齒輪裝置。

本發明之解決手段的諧波齒輪裝置(1)，係具備：固定側內齒輪(3)；與固定內齒輪並列設置的旋轉側內齒輪(11)；可撓性行星齒輪(19)；以及諧波產生器(27)，該可撓性行星齒輪(19)是配置在這些內齒輪的內周側，朝向半徑方向彎曲，且部分與內齒輪嚙合；該諧波產生器(27)是配置在可撓性行星齒輪的內側，藉由旋轉而可使可撓性行星齒輪一邊連續變形一邊彎曲，藉由將內齒輪(3，11)的基部(5，13)設定為有彈性，即可消除嚙合時的背隙(backlash)。

Description

諧波齒輪裝置

本發明係關於一種諧波齒輪裝置，特別是有關適用於所謂平面型的諧波齒輪裝置。

既存的平面型諧波齒輪裝置係具備：剛性的第1內齒輪；與上述第1內齒輪並列設置之剛性的第2內齒輪；可撓性行星齒輪；內嵌於上述可撓性行星齒輪，使上述可撓性行星齒輪彎曲的諧波產生器，該可撓性行星齒輪是配置在上述第1、第2內齒輪的內周側，朝向半徑方向彎曲，膨出部分是與上述第1、第2內齒輪嚙合。該平面型的諧波齒輪裝置，一旦上述諧波產生器轉動，可撓性行星齒輪所畫的橢圓會因凸輪作用有連續變化，藉由此，使內齒輪與可撓性行星齒輪之部分的嚙合位置朝向圓周方向移動，即可根據上述第1內齒輪與上述第2內齒輪的齒數差，使兩內齒輪之間產生相對旋轉。

一旦做成該平面型，全體形狀即可小型化，並且可撓性行星齒輪也會變成單純的圓筒狀，所以在旋轉時不會施加不當的應力，具有維持可撓性及充分形狀保持性的優 點。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平2-221740號公報

[專利文獻2]日本特開2009-156462號公報

諧波齒輪裝置在動作原理上，背隙對於齒輪彼此間的嚙合並非必需，相反地，在用於機械手臂等時則須要提昇停止精度，所以要求能達到無背隙的嚙合。

因此，在屬於相同諧波齒輪裝置的杯型中，即提案一種藉由利用該杯型來賦予預負荷(preload)，以實踐無背隙的嚙合。

另一方面，若為平面型的話，從上述的構造特徵來看，因為可撓性行星齒輪為圓筒形，所以恐無法得到像杯型的預負荷。

在專利文獻1中係提出一種：針對平面型，藉由提高可撓性行星齒輪的橢圓度來形成較大的彎曲部分，利用該彎曲部分的預負荷來實踐無背隙的嚙合。但是，在該提案中會形成不當的大彎曲部分，所以在發生突然的扭矩改變時，即容易產生跳齒(jumping)的情形。並 且，針對背隙的改善效果，也明顯地劣於杯型。

此外，在專利文獻2中係提出一種：針對平面型，藉由提高齒形的形狀精度來實踐無背隙的嚙合。但是，在該提案中，齒輪製作上的負擔過大，並不實際。

本發明著眼於上述以往的問題點，其目的即為提供一種新穎且有用的諧波齒輪裝置，該諧波齒輪裝置係可直接發揮平面型的形狀優點，並且不須高度的尺寸精度或特別的調整機構，即可實現理想的無背隙的嚙合。

本案發明者藉由使內齒輪的基部具有彈性，該內齒輪側即可有彈性地阻擋外齒輪，而可實現兩齒輪之理想的無背隙的嚙合，並且，可減輕該內齒輪側的摩損並阻止其永久變形，經過一段時間仍可確保上述無背隙的嚙合，而可完成本發明。

本發明之申請專利範圍第1項的發明係具備：第1內齒輪；與上述第1內齒輪並列設置的第2內齒輪；可撓性行星齒輪；以及諧波產生器，該可撓性行星齒輪是配置在上述第1、第2內齒輪的內周側，朝向半徑方向彎曲而部分與上述第1、第2內齒輪嚙合；該諧波產生器是配置在上述可撓性行星齒輪的內側，藉由旋轉而使上述可撓性行星齒輪一邊連續變形一邊彎曲，藉由上述諧波產生器的旋轉，根據上述第1內齒輪與上述第2內齒輪的齒數差，使兩內齒輪之間產生相對旋轉，其特徵為：上述第1、第2 內齒輪的基部為具有彈性，與剛性的安裝部單邊連結，並且限制上述第1、第2內齒輪對上述可撓性行星齒輪做軸方向的相對移動。

申請專利範圍第2項的發明為：如申請專利範圍第1項所述的諧波齒輪裝置，其中，第1、第2內齒輪係由薄層體所構成。

申請專利範圍第3項的發明為：如申請專利範圍第2項所述的諧波齒輪裝置，其中，在第1、第2內齒輪的外周側係配置了備用環。

申請專利範圍第4項的發明為：如申請專利範圍第2或3項所述的諧波齒輪裝置，其中，第1、第2內齒輪是由圓錐齒輪所構成，可撓性行星齒輪是由雙圓錐齒輪所構成，上述可撓性行星齒輪的兩錐面側分別被上述內齒輪側所夾持，而被限制軸方向的相對移動。

申請專利範圍第5項的發明為：如申請專利範圍第1、2、3或4項所述的諧波齒輪裝置，其中，諧波產生器係具有3個以上的嚙合對應突起部，該嚙合對應突起部是朝向外側伸出，使第1、第2內齒輪與可撓性行星齒輪嚙合。

根據本發明的諧波齒輪裝置，即可直接發揮平面型的形狀優點，並且不須要高度的尺寸精度或特別的調整機構，即可實現理想的無背隙之嚙合。

1‧‧‧諧波齒輪裝置(第1實施形態)

3‧‧‧作為第1內齒輪的固定側內齒輪

5‧‧‧基部

7‧‧‧內齒

9‧‧‧安裝部

11‧‧‧作為第2內齒輪的旋轉側內齒輪

13‧‧‧基部

15‧‧‧內齒

17‧‧‧安裝部

19‧‧‧可撓性行星齒輪

21‧‧‧基部

23、25‧‧‧外齒

27‧‧‧諧波產生器

29‧‧‧凸輪部

30‧‧‧嚙合對應突起部

31‧‧‧諧波軸承

33‧‧‧保持具

35‧‧‧球體

37‧‧‧內輪

39‧‧‧外輪

41‧‧‧諧波齒輪裝置(第2實施形態)

43、45‧‧‧備用環

[圖1]係本發明之第1實施形態的平面型諧波齒輪裝置的分解立體圖。

[圖2]係圖1之諧波產生器的分解立體圖。

[圖3]係圖1之(組裝完成)諧波齒輪裝置的部分截斷立體圖。

[圖4]係圖3之諧波齒輪裝置的嚙合狀態說明圖。

[圖5]係為說明圖3之諧波齒輪裝置的軸方向移動調整機能的剖面圖。

[圖6]係為說明軸方向移動後之嚙合狀態的剖面圖。

[圖7]係圖3之諧波齒輪裝置的嚙合遷移圖。

[圖8]係本發明之第2實施形態(組裝完成)之諧波齒輪裝置的立體圖。

[圖9]係圖8之諧波齒輪裝置的剖面圖。

根據圖面來說明本發明之第1實施形態的諧波齒輪裝置1。

如圖1所示，該諧波齒輪裝置1係具備：固定側內齒輪3、旋轉側內齒輪11、可撓性行星齒輪19、以及諧波產生器27，全部都是由金屬材所構成。

固定側內齒輪3的基部5，其全體雖為略圓筒狀，但其內周側輪廓在剖面視角中形成圓錐狀，在該內周 側錐面刻有內齒7，而成為圓錐內齒輪。基部5為薄層狀且基部5全體為具有彈性。在基部5的擴徑側端部設有剛性的安裝部9。

旋轉側內齒輪11的基部13、內齒15以及安裝部17也如固定側內齒輪3般形成。

但是，旋轉側內齒輪11的齒數是少於固定側內齒輪3的齒數，為-3(負3)。各個內齒輪3、11的基部5、13為大約相同的形狀，所以，使齒寬或齒高不同，即可達到上述的齒數不同。

可撓性行星齒輪19的基部21，其全體雖為略圓筒狀，但其外周側輪廓在剖面視角中形成雙圓錐狀，在該基部21的外周側錐面分別刻有外齒23、25，而成為雙圓錐齒輪。可撓性行星齒輪19為薄層狀且全體為具有彈性，可隨著來自內外周側的壓力而彎曲。

如圖2所示，諧波產生器27係具有：外側輪廓為略三角形的凸輪部29、以及外嵌於凸輪部29的諧波軸承31，凸輪部29的中空部是成為馬達之旋轉軸(省略圖示)的連結部。諧波軸承31具有：被保持具33所支持的複數個球體35、內輪37、以及外輪39。內輪37是固定在凸輪部29的外周，外輪39是嵌合於可撓性行星齒輪19的內周側。

諧波齒輪裝置1是由上述構件的組合所構成，如圖3所示，固定側內齒輪3與旋轉側內齒輪11是為並列設置，在這些齒輪的內周側配置有可撓性行星齒輪 19，固定側內齒輪3的內齒7是與可撓性行星齒輪19的外齒23嚙合，旋轉側內齒輪11的內齒15是與可撓性行星齒輪19的外齒25嚙合。諧波產生器27係內嵌於可撓性行星齒輪19。

諧波產生器27的凸輪部29之外周輪廓為略三角形，因為在3個位置具有做為嚙合對應突起部30的頂部，所以可撓性行星齒輪19即在該3個位置朝向半徑方向外側大幅度伸出，在該對應部分30C與內齒輪3、11嚙合。

固定側內齒輪31之刻有內齒7的基部5，是以所謂單邊連結的方式連結於剛性的安裝部9，因基部5全體為具有彈性，所以在嚙合部分可彈性吸收可撓性行星齒輪19側之朝向外側伸出部分的彎曲，發揮消除背隙的作用。旋轉側內齒輪11側也發揮相同的作用。

如圖5所示，內齒輪3、11的基部5、13為可彎曲，在該基部5、13是在錐面的縮徑側彼此對向的狀態下，係配置在可撓性行星齒輪19之雙錐面的外側。因此，固定側內齒輪3與旋轉側內齒輪11即可面向可撓性行星齒輪19，分別朝向箭頭所示的軸方向(=齒腹方向)移動。

諧波齒輪裝置1利用上述形狀的特徵，藉由使固定側內齒輪3與旋轉側內齒輪11從軸方向兩端側彼此極度靠近般包夾，在極力縮小間隙的狀態下，而可約束軸方向的相對位移。

圖6(1)係顯示移動前的嚙合狀態，不能完全發揮圓錐效果，預負荷較小，彎曲量也變小成只有該預負荷的量。

圖6(2)係顯示移動後的嚙合狀態，在該約束下，可撓性行星齒輪19旋轉，一旦出現膨出的對應部分30C，固定側內齒輪3與旋轉側內齒輪11的基部5、13就會變成有彈性，如箭頭所示般彎曲，而可將預負荷施加於可撓性行星齒輪19與外齒23的嚙合部分。藉由調整上述軸方向的移動量而可使預負荷的大小適當化。該預負荷發揮「使背隙更進一步減少」的作用。

根據圖7來說明該諧波齒輪裝置1的嚙合遷移。

當諧波產生器27旋轉，藉由諧波凸輪動作，可撓性行星齒輪19的球體35就會分別自轉並沿著固定側內齒輪3公轉，一方面使可撓性行星齒輪19連續變形，一方面使固定側內齒輪3與可撓性行星齒輪19的嚙合位置、以及旋轉側內齒輪11與可撓性行星齒輪19的嚙合位置朝向圓周方向移動。因此，可撓性行星齒輪19變成反向惰輪(reverse idler)軸，依據齒數差產生相對旋轉，將減速旋轉輸出至旋轉側內齒輪11側。

在圖7(1)中，固定側內齒輪3、旋轉側內齒輪11都沒有和可撓性行星齒輪19嚙合，但在圖7(2)中則開始嚙合，在圖7(3)則顯示最強力嚙合的狀態。

在圖7(2)中，固定側內齒輪3的基部5、以及旋轉側 內齒輪11的基部13開始彎曲，在圖7(3)中則彎曲得更大。

如此，在諧波齒輪裝置1中，不只是固定側內齒輪3與旋轉側內齒輪11之基部5、13的彈性效果，還可以藉由預負荷的賦予效果來實踐無背隙的理想嚙合。

此外，在該諧波齒輪裝置1中，因為內齒輪3、11的內形狀為圓錐狀，可撓性行星齒輪19的外形狀為圓錐狀，所以嚙合呈現點接觸，但因為該基部5、13都具有彈性，比起其中一方為剛性的情形，其點本身的面積也較大。又，可撓性行星齒輪19是伸出成三角形狀，在3個位置與內齒輪3、11嚙合。

因此，可提高剛性和容許扭矩。

接下來根據圖式來說明本發明之第2實施形態的諧波齒輪裝置41。

如圖8、9所示，在諧波齒輪裝置1係附設有環狀的備用環43、45。備用環43的軸方向一端側係連結在固定側內齒輪3之安裝部9，僅與外周側隔以小間隙(GAP)般包圍著基台5，備用環45的軸方向一端側是連結在旋轉側內齒輪11的安裝部17，也是以僅與外周側隔以小間隙(GAP)般包圍著基部13。

藉由如上述般附設備用環43、45，即可防止內齒輪3、11的基部5、13側之半徑方向過度膨脹，可穩定背隙管理。

如此一來，即使在產生過大扭矩時，也可防止跳齒或 破損。

以上是針對本發明的實施形態加以詳述，但其具體構成不限於本實施形態，只要是在不脫離本發明之要旨的範圍內，其設計的變化等均含於本發明。

亦即，只要滿足申請專利範圍之形狀上的、物理上的特徵等，即使再附加上以往即存在、或未來會出現之其他部位的形狀特徵、或者是任意選擇素材，也都包含在本發明的範圍內。

例如：諧波軸承不限於球體型(滾珠型)，也可以為滾柱型。

此外，可撓性行星齒輪藉由改變凸輪部的形狀即可改變嚙合數，所以可根據用途來設定成2個以上任意的數目。

再者，在技術上，雙圓錐齒輪的2個齒輪沒有必要設計成相同的錐形或齒輪設計，並且，2個圓錐的底面也可以不是彼此直接相對，而是隔著空間亦可。

Claims (6)

1. 一種諧波齒輪裝置，係具備：第1內齒輪；與上述第1內齒輪並列設置的第2內齒輪；可撓性行星齒輪；以及諧波產生器，該可撓性行星齒輪是配置在上述第1、第2內齒輪的內周側，朝向半徑方向彎曲而部分與上述第1、第2內齒輪嚙合；該諧波產生器是配置在上述可撓性行星齒輪的內側，藉由旋轉而使上述可撓性行星齒輪一邊連續變形一邊彎曲，藉由上述諧波產生器的旋轉，根據上述第1內齒輪與上述第2內齒輪的齒數差，使兩內齒輪之間產生相對旋轉，其特徵為：上述第1、第2內齒輪的基部為具有彈性，與剛性的安裝部單邊連結，並且限制上述第1、第2內齒輪對上述可撓性行星齒輪做軸方向的相對移動。
2. 如申請專利範圍第1項所述的諧波齒輪裝置，其中，第1、第2內齒輪係由薄層體所構成。
3. 如申請專利範圍第2項所述的諧波齒輪裝置，其中，在第1、第2內齒輪的外周側係配置了備用環。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述的諧波齒輪裝置，其中，第1、第2內齒輪是由圓錐齒輪所構成，可撓性行星齒輪是由雙圓錐齒輪所構成，上述可撓性行星齒輪的兩錐面側分別被上述內齒輪側所夾持，而被限制軸方向的相對 移動。
5. 如申請專利範圍第1、2或3項所述的諧波齒輪裝置，其中，諧波產生器係具有.3個以上的嚙合對應突起部，該嚙合對應突起部是朝向外側伸出，使第1、第2內齒輪與可撓性行星齒輪嚙合。
6. 如申請專利範圍第4項所述的諧波齒輪裝置，其中，諧波產生器係具有3個以上的嚙合對應突起部，該嚙合對應突起部是朝向外側伸出，使第1、第2內齒輪與可撓性行星齒輪嚙合。