WO2014181373A1

WO2014181373A1 - 締結用摩擦板、および波動歯車装置と出力部材の締結固定構造

Info

Publication number: WO2014181373A1
Application number: PCT/JP2013/002965
Authority: WO
Inventors: 小林　優; 達郎保科
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2015-11-08
Also published as: CN104285074B; DE112013000542T5; TW201512564A; JP5885849B2; TWI540272B; KR20140142236A; US20160025145A1; DE112013000542B4; JPWO2014181373A1; US9500234B2; CN104285074A

Abstract

　締結用摩擦板（１０）は、相互に締結固定される２つの締結部品の間の締結力を増大させるために、これらの締結部品の締結面の間に挟み込まれる。締結用摩擦板（１０）は、一定板厚の摩擦板本体（２１）と、摩擦板本体（２１）の両側の表面に一定ピッチで形成した略円錐台形状の係合用突起（２６、２７）とを有している。摩擦板本体（２１）および係合用突起（２６、２７）は、一定厚さの鋼板素材の両面にフォトエッチング加工を施すことにより、一体形成されたものである。締結用摩擦板（１０）は、締結部品の締結面の素材硬度以上の素材硬度を備えている。

Description

締結用摩擦板、および波動歯車装置と出力部材の締結固定構造

　本発明は、トルク伝達を行う部材の締結固定に用いる締結用摩擦板、および、当該締結用摩擦板を用いた波動歯車装置と出力部材の締結固定構造に関する。

　トルク伝達を行う２つの部材の締結固定構造として、締結される２つの部材の締結面の間に摩擦板を挟み、これら２つの部材をボルト等によって締結固定する構造が知られている。特許文献１には、このような締結固定構造に用いる摩擦シートが提案されている。この摩擦シートは、金属製の弾性シートの表面に、締結対象の部材の締結面に食い込み可能なダイヤモンド粒子をメッキコーティングしたものである。

　例えば、２本の軸部材の締結用端面の間に摩擦シートを挟み、締結ボルトによって双方の締結用端面を締結固定すると、摩擦シートの両面のダイヤモンド粒子が双方の締結用端面に食い込み、これらの締結用端面の間に大きな摩擦力が発生する。これにより、２本の軸部材の締結力が増加し、大きなトルクを伝達可能になる。

特許第３５４７６４５号公報

　このような摩擦シートを用いた締結固定構造では、メッキ層によって保持されているダイヤモンド粉末の脱落が懸念される。脱落したダイヤモンド粒子が飛散して締結対象の軸部材の回転摺動部分等に侵入すると、当該回転摺動部分に摩耗、破損などの損害が発生するおそれがある。

　例えば、波動歯車減速機の減速回転出力要素と、負荷側の出力軸とを締結固定するために、このような摩擦シートを用いることが考えられる。波動歯車減速機として、カップ型あるいはシルクハット型と呼ばれる波動歯車減速機を用いる場合には、一般に、カップ形状の可撓性外歯歯車あるいはシルクハット形状の可撓性外歯歯車が減速回転出力要素とされる。可撓性外歯歯車におけるカップ底面部分を規定している円環状のボスの端面と、出力軸の端面との間に摩擦シートを挟み、締結ボルトによって、出力軸をボスの端面に締結固定する。

　この場合、摩擦シートから脱落したダイヤモンド粒子が、可撓性外歯歯車と波動発生器の間の摺動作部分、可撓性外歯歯車と剛性内歯歯車のかみ合い部分等に侵入するおそれがある。これらの部分に硬質のダイヤモンド粒子が侵入すると、これらの部分に摩耗、破損等が発生するおそれがある。

　本発明の課題は、このような点に鑑みて、異物が発生して締結対象の部材の側に損害を与えることのない締結用摩擦板を提案することにある。

　また、本発明の課題は、波動歯車装置と出力部材の締結固定構造を提案することにある。

　上記の課題を解決するために、本発明による、締結固定される２つの締結部材の間の締結面の間に挟み込まれる締結用摩擦板は、
　所定板厚の摩擦板本体と、
　前記摩擦板本体の両側の表面に所定ピッチで形成された所定サイズの係合用突起と、
を有し、
　前記摩擦板本体および前記係合用突起は、鋼板素材の両面にフォトエッチング加工を施すことにより、一体形成されたものであり、
　前記締結部品の締結面の素材硬度以上の素材硬度を備えていることを特徴としている。

　ここで、前記係合用突起は、前記摩擦板本体の前記表面から垂直に突出している先細り形状の突起であり、前記係合用突起の先端は、前記摩擦板本体の前記表面に平行な平坦な頂面となっており、前記係合用突起は、その突出方向に直交する断面形状が、円形、四角形あるいは三角形であることが望ましい。また、前記係合用突起は一定のピッチでマトリックス状に配列されていることが望ましい。

　締結用摩擦板を挟み２つの締結部品を締結固定すると、締結用摩擦板の両面に形成されている係合用突起が締結面に食い込み、大きな摩擦力が締結面の間に発生する。締結用摩擦板の係合用突起は、鋼板からなる摩擦板ブランクの表面にフォトエッチング加工を施すことによって、摩擦板本体に一体形成されている。したがって、係合用突起が摩擦板本体から脱落して締結対象の部材の側の摺動部分等に侵入する弊害を防止あるいは抑制できる。

　次に、本発明による、波動歯車装置と出力部材の締結固定構造は、
　波動歯車装置の減速回転出力要素と、当該減速回転出力要素から減速回転が伝達される出力部材とが、締結用摩擦板を挟み、締結固定されており、
　前記締結用摩擦板は、所定板厚の摩擦板本体と前記摩擦板本体の両側の表面に所定ピッチで形成された所定サイズの係合用突起とを有し、前記摩擦板本体および前記係合用突起は、鋼板素材の両面にフォトエッチング加工を施すことにより、一体形成されたものであり、前記減速回転出力要素および前記出力部材の締結面の素材硬度以上の素材硬度を備えていることを特徴としている。

　ここで、前記係合用突起は、前記摩擦板本体の前記表面から垂直に突出している先細り形状の突起であり、前記係合用突起の先端は、前記摩擦板本体の前記表面に平行な平坦な頂面となっており、前記係合用突起は、その突出方向に直交する断面形状が、円形、四角形あるいは三角形であることが望ましい。

　また、前記減速回転出力要素は一般に可撓性外歯歯車であり、前記可撓性外歯歯車の素材硬度は一般にＨＲＣ３６～ＨＲＣ５０である。この場合には、前記締結用摩擦板の素材硬度はＨＲＣ５５以上であることが望ましい。

　また、この場合には、
　前記摩擦板本体の板厚は０．１ｍｍ～０．５ｍｍであり、
　前記係合用突起のピッチは０．２ｍｍ～０．５ｍｍであり、
　前記係合用突起の頂面の最大径あるいは最大幅は０．０１ｍｍ～０．０５ｍｍであり、
　前記係合用突起の高さは、前記突起の頂面の最大径あるいは最大幅の１．０倍から１．２倍であることが望ましい。

　一般的な可撓性外歯歯車から出力部材への必要伝達トルク、これらの間の締結力、各締結部材の素材硬度に基づけば、上記のように係合用突起の大きさ、形状、ピッチを設定することにより、係合用突起を可撓性外歯歯車の側の締結面および出力部材の側の締結面に対して適切な食い込み深さとなるように食い込ませることができる。これにより、可撓性外歯歯車と出力部材の間の締結部分の摩擦係数を大きくすることができる。よって、大きなトルクを伝達可能な締結構造を実現できる。

　さらに、上記のように係合用突起の大きさ、形状、ピッチを設定した場合には、前記係合用突起は、１０ｍｍ^２当り４０～２５０個であることが望ましい。

本発明を適用したカップ型の波動歯車減速機の斜視図である。波動歯車減速機の縦断面図である。波動歯車減速機の可撓性外歯歯車のボスと負荷側の出力軸の締結固定構造を示す縦断面図である。図３の締結固定構造の構成部品を分解した状態で示す縦断面図である。締結用摩擦板を示す平面図である。（ａ）は締結用摩擦板の部分拡大平面図、（ｂ）は部分拡大断面図、（ｃ）は部分拡大断面図である。フォトエッチング加工により係合用突起を製造する工程を示す説明図である。（ａ）は締結用摩擦板の係合用突起の別の例を示す部分拡大断面図、（ｂ）は部分拡大断面図、（ｃ）は部分拡大断面図である。（ａ）は締結用摩擦板の係合用突起の別の例を示す部分拡大断面図、（ｂ）は部分拡大断面図、（ｃ）は部分拡大断面図である。（ａ）は円錐突起が鋼材表面に押し込まれた場合の状態を示す説明図であり、（ｂ）は係合用突起がボスに食い込んだ場合の状態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減速機と負荷側の出力軸の締結固定構造の実施の形態を説明する。

（波動歯車減速機）
　図１は本発明を適用可能なカップ型の波動歯車減速機を示す斜視図であり、図２はその縦断面図である。波動歯車減速機１は、円環状の剛性内歯歯車２と、この内側に同軸に配置したカップ形状の可撓性外歯歯車３と、この内側に嵌めた楕円状輪郭の波動発生器４とを備えている。

　カップ形状の可撓性外歯歯車３は、半径方向に撓み可能な円筒状胴部５と、この後端縁から内方に延びる円環状のダイヤフラム６と、ダイヤフラム６の内周縁に連続して形成した円環状のボス７と、円筒状胴部５の開口端側の外周面部分に形成した外歯８とを備えている。可撓性外歯歯車３における外歯８が形成された円筒状胴部５の部分の内側に、波動発生器４が嵌め込まれている。これによって、円筒状胴部５は楕円状に撓められ、楕円状形状における長軸方向の両端に位置する外歯８の部分が、剛性内歯歯車２の内歯９にかみ合っている。

　波動発生器４は、モーター軸等の回転入力軸（図示せず）に連結固定されて、回転駆動される。波動発生器４が回転すると、両歯車２、３のかみ合い位置が周方向に移動する。この結果、両歯車の歯数差に応じて、両歯車の間に相対回転が発生する。本例では、剛性内歯歯車２が不図示の固定側の部材に固定されており、可撓性外歯歯車３が減速回転出力要素となっており、ここから減速回転が出力される。

　図３は可撓性外歯歯車３と負荷側の出力軸の締結固定構造を示す縦断面図であり、図４はその構成部品を分解して示す説明図である。可撓性外歯歯車３の円環状のボス７には、円盤状の締結用摩擦板１０を挟み、負荷側の出力軸１１が締結固定される。締結固定のために、円環状の取付け用フランジ１２および複数本の締結ボルト１３が用いられる。

　出力軸１１の後端部には大径の軸側フランジ１４が形成されており、軸側フランジ１４の円形の後端面が軸側締結面１５である。軸側締結面１５は、締結用摩擦板１０を挟み、ボス７の外側端面であるボス側締結面１６に同軸に重ねられる。ボス７の内側端面には取付け用フランジ１２が同軸に重ねられる。軸側フランジ１４にはボルト穴が円周方向に一定の間隔で形成され、締結用摩擦板１０、ボス７および取付け用フランジ１２にはボルト挿通穴が同じく円周方向に一定の間隔で形成されている。これらのボルト穴、ボルト挿通穴が一致する状態に４部材が同軸に重ねられ、取付け用フランジ１２の側から挿入された締結ボルト１３によって、これら４部材が所定のボルト軸力で締結固定されている。

　図５は締結用摩擦板１０を示す平面図であり、図６（ａ）～（ｃ）はその一部を拡大して示す部分拡大平面図、ｂ－ｂ線で切断した場合の部分拡大断面図、および、ｃ－ｃ線で切断した場合の部分拡大断面図である。

　締結用摩擦板１０は、ボス側締結面１６（図４参照）に対応する形状をした一定板厚の摩擦板本体２１に、円形の中心貫通穴２２と、円周方向に沿って一定の間隔で複数個のボルト挿通穴２３とが形成された構成となっている。例えば８個のボルト挿通穴が形成されている。

　摩擦板本体２１の一方の表面がボス側締結面１６に重ねられるボス側表面２４であり、他方の表面が軸側締結面１５に重ねられる軸側表面２５である。これらボス側表面２４および軸側表面２５には、フォトエッチング加工によって、所定ピッチで所定形状の係合用突起２６、２７が一体形成されている。

　本例の摩擦板本体２１の板厚Ｔは、０．１ｍｍ～０．５ｍｍの範囲内の値である。また、係合用突起２６、２７は一定のピッチでマトリックス状に配列されており、隣接する係合用突起のピッチＰａ（ｘ）、Ｐａ（ｙ）、Ｐｂ（ｘ）、Ｐｂ（ｙ）は共に０．２ｍｍ～０．５ｍｍの範囲内の値である。係合用突起２６、２７は、マトリックス状の配列形態以外の配列形態であってもよい。また、ボス側表面２４の突起配列形態と、軸側表面２５の突起配列形態とを異なる形態にすることも可能である。

　係合用突起２６、２７は全体として円錐台形状に近似した形状の突起であり、その中心軸線２６ａ、２７ａは摩擦板本体２１に垂直である。各係合用突起２６、２７の外周面２６ｂ、２７ｂは先端に向けて先細りの湾曲面から形成されており、それらの頂面２６ｃ、２７ｃは中心軸線２６ａ、２７ａに直交する円形面である。

　係合用突起２６、２７における頂面２６ｃ、２７ｃの最大径Ｌａ、Ｌｂは０．０１ｍｍ～０．０５ｍｍの範囲内の値である。係合用突起２６、２７の高さＨａ、Ｈｂ（摩擦板本体２１のボス側表面２４、軸側表面２５からの高さ）は０．０６ｍｍ以下であり、かつ、係合用突起２６、２７の頂面２６ｃ、２７ｃの最大径Ｌの１．０倍から１．２倍の範囲内の値である。高さＨａ、Ｈｂは同一とすることができるが、異なる高さにすることも可能である。また、係合用突起２６、２７は、１０ｍｍ^２当り４０～２５０個の範囲内の値となる密度で形成されている。

　図示の例においては、摩擦板本体２１の板厚Ｔが０．１ｍｍであり、係合用突起２６、２７の頂面２６ｃ、２７ｃの径Ｌａ、Ｌｂが０．０５ｍｍ、高さＨａ、Ｈｂが０．０６５ｍｍ、ピッチＰａ（ｘ）、Ｐａ（ｙ）、Ｐｂ（ｘ）、Ｐｂ（ｙ）が０．２ｍｍである。

　また、摩擦板本体２１および係合用突起２６、２７の素材硬度はＨＲＣ５５以上である。締結用摩擦板製造用のブランクとして硬度がＨＲＣ５５以上のものを用いればよい。あるいは、ブランクの硬度がＨＲＣ５５未満の場合には、フォトエッチング加工によって係合用突起２６、２７を形成する前の段階、あるいは後の段階において、熱処理、浸炭処理、窒化処理等の表面処理を施して、摩擦板本体２１の両側の表面部分および係合用突起２６、２７の硬度がＨＲＣ５５以上となるようにすることも可能である。可撓性外歯歯車３の素材硬度は一般にＨＲＣ３６～５０の間であり、出力軸１１の素材硬度も同様である。締結用摩擦板１０の硬度を、これらの部材の硬度よりも高い値に設定してあるので、締結ボルト１３による締結力（軸力）によって、係合用突起２６、２７を確実にボス側締結面１６および軸側締結面１５に食い込ませることができる。

　ここで、係合用突起２６、２７の形成は、一般的なフォトエッチング加工によって行うことができる。例えば、図７に示すように、鋼板製のブランク１０Ａを用意し（図７（ａ））、ブランク１０Ａの両面にフォトレジスト膜３１を形成する（図７（ｂ））。次に、フォトレジスト膜３１に露光および現像を行ってフォトレジスト膜にマスキングパターンを形成する（図７（ｃ））。この後は、ブランク１０Ａの露出面に例えばウエットエッチングを行って、係合用突起２６、２７を形成する（図７（ｄ））。そして、フォトレジスト膜３１のマスキングパターンを剥離除去し、洗浄・乾燥工程等の後処理を行う（図７（ｅ））。これにより、マスキングパターンが円形の場合には略円錐台状の係合用突起２６、２７が、摩擦板本体２１の両面に一体形成される。マスキングパターンが四角形、三角形の場合には、四角錐台状、三角錐台状の係合用突起２６、２７が形成される。一般的には、ブランク１０Ａの一方の面に係合用突起を形成した後に、他方の面に係合用突起を形成する。

　図８、図９には係合用突起２６、２７の別の形状を示してある。図８に示す係合用突起２６Ａ、２７Ａは全体として略四角錐台の形状をしている。例えば、係合用突起２６Ａ、２７Ａの頂面は正四角形であり、その幅Ｄは０．０５ｍｍ、高さＨは０．０６ｍｍ、ピッチＰは０．２ｍｍである。また、図９に示す係合用突起２６Ｂ、２７Ｂは全体として略三角錐台の形状をしている。例えば、係合用突起２６Ｂ、２７Ｂの頂面は正三角形であり、その正三角形の幅Ｄは０．０６ｍｍである。係合用突起２６Ｂ、２７Ｂの高さＨは０．０６ｍｍ、ピッチＰは０．２ｍｍである。また、マトリックス状に配列されている係合用突起２６Ｂ、２７Ｂの一方の列においては、一つ置きに、三角形の向きが反転している。

　このように構成される可撓性外歯歯車３と負荷側の出力軸１１の締結固定構造において、ボス側締結面１６と軸側締結面１５に、締結用摩擦板１０の係合用突起２６、２７が食い込んだ（押し込まれた）場合の締結力は、鋼の掘り起しに伴う摩耗に近似できる。図１０（ａ）を参照して説明すると、円錐突起が締結面に押し込まれた場合を想定する。ｎ個の円錐突起が締結面に接触しているとする。太線矢印で示す進行方向の円錐突起の投影面積（三角形）Ａｔは次式で表される。
Ａｔ＝ｎ・ｒ・ｄ＝ｎ・ｒ・ｒ・ｃｏｔθ＝ｎ・ｒ^２・（１／ｔａｎθ）
　但し、ｒ：円錐突起による圧痕の平均半径
　　　　θ：円錐突起の半頂角
　　　　ｄ：深さ

　円錐突起による圧痕面積は次式のように近似できる。
　　円錐突起による圧痕面積≒真実接触面積Ａｒ＝Ｐ／Ｐｍ＝ｎ・πｒ^２
　　　　Ｐ：全荷重
　　　　Ｐｍ：真実接触面積の平均面圧

　したがって、Ｆを掘り起し抵抗力（摩擦力）とすると、摩擦係数μは次式で表すことができる。
摩擦係数μ＝Ｆ／Ｐ＝Ａｔ・Ｐｍ／Ａｒ・Ｐｍ＝Ａｔ／Ａｒ
　　　　　＝１／（π・ｔａｎθ）
円錐突起のθが４５ｄｅｇの場合には、μ＝０．３１８３になる。

　図１０（ｂ）には、本例の円錐台状の係合用突起２６、２７をボス側締結面１６、軸側締結面１５に食い込ませた場合を示してある。この場合には、次のように各値を近似することができる。
　食い込み深さｘ≒ｄ
　食い込み投影面積ＡＴ≒Ａｔ
　圧痕面積ＡＲ≒Ａｒ
　近似摩擦係数Μ＝ＡＴ／ＡＲ

　締結用摩擦板２０を用いた締結固定構造において、伝達トルクは、当該締結用摩擦板２０の係合用突起２６、２７をボス側締結面１６および軸側締結面１５に同時に食い込ませた（押し込んだ）場合における双方の面の摩擦係数に大きく影響される。この摩擦係数は、上記のように、食い込み投影面積ＡＴおよび圧痕面積ＡＲによって規定できる。すなわち、摩擦係数は、主として、係合用突起２６、２７の形状、食い込み（押し込み）深さ、締結用摩擦板２０とボス側締結面１６および軸側締結面１５との間の硬度差により決まる。

　したがって、係合用突起２６、２７の形状、サイズと、締結用摩擦板２０の硬度を適切に設定することにより、目標とする摩擦係数の締結面を得ることができる。本例ではフォトエッチング加工（ケミカルエッチング加工）によって円錐台状の係合用突起２６、２７が形成される。このような形状の係合用突起２６、２７の頂面の大きさＤ、突起高さＨ、および素材硬度を上記のように設定することで、大きな摩擦係数を得ることができる。

　また、突起数ｎは、全圧痕面積（ＡＲ×ｎ）による素材のせん断強さで制限される。本例では、締結用摩擦板２０のせん断強さを考慮して、突起数ｎを、１０ｍｍ^２当り４０～２５０個の範囲内の値としている。

　さらに、同一軸力を与えた場合に、係合用突起の食い込み深さｘは突起の頂面の形状により異なる。頂面の形状が円形、四角形、三角形とし、それ以外を同一条件とした係合突起の場合、三角形の場合が最も食い込み易く、円形の場合が最も食い込みにくい。また、硬度の高い締結面よりも硬度の低い締結面の方が食い込み深さｘが大きくなる。さらに、係合突起の食い込み深さｘは、係合突起の頂面の面積により異なり、面積が小さい方が食い込み深さｘが深くなる。同様に、係合突起の頂面の総面積が小さい場合が、総面積の大きい場合に比べて、食い込み深さｘが深くなる。したがって、締結対象の可撓性外歯歯車の大きさ、必要伝達トルク、加えられる軸力に応じて、係合用突起２６、２７の大きさ、形状（頂面の形状、面積、突起高さ）、係合用突起２６、２７の配列ピッチおよび単位面積当たりの個数、並びに、各部分の硬度を適切に設定すればよい。

Claims

　相互に締結固定される２つの締結部品の間に挟み込まれる締結用摩擦板であって、
　所定板厚の摩擦板本体と、
　前記摩擦板本体の両側の表面に所定ピッチで形成された所定サイズの係合用突起と、
を有し、
　前記摩擦板本体および前記係合用突起は、鋼板素材の両面にフォトエッチング加工を施すことにより、一体形成されたものであり、
　前記締結部品の締結面の素材硬度以上の素材硬度を備えていることを特徴とする締結用摩擦板。
　前記係合用突起は、前記摩擦板本体の前記表面から垂直に突出している先細り形状の突起であり、
　前記係合用突起の先端は、前記摩擦板本体の前記表面に平行な平坦な頂面となっており、
　前記係合用突起は、その突出方向に直交する断面形状が、円形、四角形あるいは三角形である請求項１に記載の締結用摩擦板。
　前記係合用突起は一定のピッチでマトリックス状に配列されている請求項２に記載の締結用摩擦板。
　波動歯車装置の減速回転出力要素と、当該減速回転出力要素から減速回転が伝達される出力部材とが、締結用摩擦板を挟み、締結固定されており、
　前記締結用摩擦板は、請求項１に記載の締結用摩擦板であることを特徴とする波動歯車装置と出力部材の締結固定構造。
　前記係合用突起は、前記摩擦板本体の前記表面から垂直に突出している先細り形状の突起であり、
　前記係合用突起の先端は、前記摩擦板本体の前記表面に平行な平坦な頂面となっており、
　前記係合用突起は、その突出方向に直交する断面形状が、円形、四角形あるいは三角形である請求項４に記載の波動歯車装置と出力部材の締結固定構造。
　前記減速回転出力要素は可撓性外歯歯車であり、
　前記可撓性外歯歯車の素材硬度はＨＲＣ３６～ＨＲＣ５０であり、
　前記締結用摩擦板の素材硬度はＨＲＣ５５以上である請求項５に記載の波動歯車装置と出力部材の締結固定構造。
　前記摩擦板本体の板厚は０．１ｍｍ～０．５ｍｍであり、
　前記係合用突起のピッチは０．２ｍｍ～０．５ｍｍであり、
　前記係合用突起の頂面の最大径あるいは最大幅は０．０１ｍｍ～０．０５ｍｍであり、
　前記係合用突起の高さは、前記突起の頂面の最大径あるいは最大幅の１．０倍から１．２倍である請求項６に記載の波動歯車装置と出力部材の締結固定構造。
　前記係合用突起は、１０ｍｍ^２当り４０～２５０個である請求項７に記載の波動歯車装置と出力部材の締結固定構造。