WO2015011820A1

WO2015011820A1 - 波動歯車装置

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Publication number: WO2015011820A1
Application number: PCT/JP2013/070245
Authority: WO
Inventors: 善智溝口; 芳秀清澤
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2016-01-25
Also published as: JPWO2015011820A1; DE112013007274T5; JP6177327B2; US20160160985A1; TW201525327A; TWI632309B; CN105452715A; CN105452715B; DE112013007274B4; KR20160024970A; US9797497B2

Abstract

　フラット型の波動歯車装置（１）は、第１内歯歯車（２）および第２内歯歯車（３）と、筒状の可撓性の外歯歯車（４）と、楕円状輪郭のウエーブジェネレータ（５）を備えている。ウエーブジェネレータ（５）による外歯の支持中心（Ｐ２）は、中心軸線（１ａ）の方向において、外歯歯車（４）の外歯の歯幅中心（Ｐ１）に対して、中心軸線（１ａ）の方向に沿って、ずれ量Δだけ、オフセットさせてある。ずらす方向およびずれ量を適切に設定することにより、波動歯車装置の第１、第２内歯歯車（２、３）の機械的特性、運転条件に適した波動歯車装置を実現できる。

Description

波動歯車装置

　本発明は、非円形に撓み可能な円筒状の外歯歯車を備えたフラット型波動歯車装置と呼ばれる波動歯車装置に関する。

　フラット型の波動歯車装置は、並列配置された第１、第２内歯歯車と、この内側に配置された円筒状の外歯歯車と、外歯歯車の内側に配置されたウエーブジェネレータとを備えている。一般に、第１内歯歯車は回転しないように固定される静止側内歯歯車であり、第２内歯歯車よりも歯数が多い。第２内歯歯車は外歯歯車と同一の歯数の歯車であり、外歯歯車と一体回転可能な駆動側内歯歯車である。ウエーブジェネレータによって外歯歯車は非円形に撓められて、第１、第２剛性内歯歯車に対して部分的にかみ合っている。

　ウエーブジェネレータをモーターなどによって高速回転すると、第１、第２内歯歯車と外歯歯車との間のかみ合い位置が円周方向に移動する。第１内歯歯車と外歯歯車の間には歯数差に応じた相対回転が発生する。第１内歯歯車が回転しないように固定されているので、外歯歯車が回転する。外歯歯車の回転は、外歯歯車と一体回転する第２内歯歯車から取り出されて、負荷側の部材に伝達される。

　特許文献１、２には、ウエーブジェネレータとして可撓性の内外輪を備えたボールベアリングを用いたフラット型の波動歯車装置が記載されている。特許文献３には、ウエーブジェネレータとして可撓性の内外輪を備えたニードルローラベアリングを用いたフラット型の波動歯車装置が記載されている。特許文献４には、一対のローラーを備えたウエーブジェネレータを備えたフラット型の波動歯車装置が記載されている。

特開２００８－２４０８７６号公報特開２００８－１８０２５９号公報特開２０１１－１９０８２６号公報特開２００７－２０５４５０号公報

　従来のフラット型波動歯車装置は、特許文献１～４に記載されているように、以下の条件Ａ１～Ａ４を満たす構成となっている。図４を参照して説明する。

　条件Ａ１：静止側の第１内歯歯車１０２と駆動側の第２内歯歯車１０３は同一の歯幅を備えた歯車である。
　条件Ａ２：外歯歯車１０４は、これら第１、第２内歯歯車１０２、１０３のそれぞれの歯幅の略２倍の歯幅を備えた歯車である。
　条件Ａ３：外歯歯車１０４の歯幅中心Ｐ１（歯幅方向の中央位置）を通り、波動歯車装置１００の中心軸線１００ａに直交する直交面ＰＬを中心として、第１、第２内歯歯車１０２、１０３は、左右対称に配置されている。換言すると、外歯歯車１０４の歯幅中心Ｐ１に、第１、第２内歯歯車１０２、１０３の間の中央位置Ｐ３が一致する。
　条件Ａ４：直交面ＰＬを中心として、ウエーブジェネレータ１０５は左右対称となるように配置されている。換言すると、外歯歯車１０４の歯幅中心Ｐ１に、ウエーブジェネレータ１０５による外歯の支持中心Ｐ２（ボール中心）が一致する。

　ここで、フラット型波動歯車装置においては、今まで、上記条件の変更については何ら着目されてこなかった。しかしながら、本発明者等は、第１内歯歯車の機械的特性および第２内歯歯車の機械的特性、フラット型波動歯車装置の運転条件などを考慮した場合、上記の条件Ａ１～Ａ４を満たす従来の構成が常に最適であるとは限らないことを見出した。例えば、外歯歯車の歯幅方向の中央位置に、第１、第２内歯歯車の間の中央位置が一致し、かつ、ウエーブジェネレータのボール中心が一致するように、これらの部品を配置することが常に最適であるとは限らない。

　本発明の課題は、この点に鑑みて、従来とは異なる条件に基づき構成されたフラット型波動歯車装置を提案することにある。

　図１（ａ）、（ｂ）を参照して説明すると、本発明の波動歯車装置（１、１Ａ）は、
　中心軸線（１ａ）の方向に並列配置された第１内歯歯車（２、２Ａ）および第２内歯歯車（３、３Ａ）と、
　第１、第２内歯歯車（２、３）の内側に配置され、当該第１、第２内歯歯車（２、３）のそれぞれにかみ合い可能な筒状をした可撓性の外歯歯車（４）と、
　外歯歯車（４）の内側に配置され、当該外歯歯車（４）を半径方向に撓めて第１、第２内歯歯車（２、３）のそれぞれに対して部分的にかみ合わせているウエーブジェネレータ（５）と、
を有し、
　外歯歯車（４）の外歯（４ａ）は、第１、第２内歯歯車（２、３）（２Ａ、３Ａ）の双方の内歯（２ａ、３ａ）（２ｂ、３ｂ）に対して、これらの内歯（２ａ、３ａ）（２ｂ、３ｂ）の歯幅方向の全体に亘ってかみ合い可能な歯幅を備え、
　ウエーブジェネレータ（５）は、外歯歯車（４）の内周面に当接して当該外歯歯車を半径方向に非円形となるように撓める外歯支持面（５ａ）を備え、
　中心軸線（１ａ）の方向における外歯支持面（５ａ）の中心位置を支持中心（Ｐ２）と呼び、外歯（４ａ）の歯幅方向の中央位置を歯幅中心（Ｐ１）と呼ぶものとすると、
　支持中心（Ｐ２）は、歯幅中心（Ｐ１）に対して、中心軸線（１ａ）の方向に沿って、第１内歯歯車（２）の側あるいは第２内歯歯車（３）の側にずれた位置に設定されていることを特徴としている。

　ここで、図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の理解を容易にするために参照しており、本発明を図１（ａ）、（ｂ）の構成に限定することを意図したものではない。

　本発明において、図１（ａ）に示すように、第１内歯歯車（２）の歯幅（Ｗ２）と第２内歯歯車（３）の歯幅（Ｗ３）が同一である場合には、歯幅中心（Ｐ１）を通り中心軸線（１ａ）に直交する直交面（ＰＬ）を中心として、第１、第２内歯歯車は（２、３）対称の位置に配置される。

　例えば、第１内歯歯車（２）を回転しないように固定した静止側内歯歯車とし、第２内歯歯車（３）を減速回転が出力される駆動側内歯歯車とした場合には、支持中心（Ｐ２）を外歯の歯幅中心（Ｐ１）に対して駆動側内歯歯車（３）の側にずらすと、相対回転が生ずる静止側内歯歯車（２）と外歯歯車（４）の間の歯面摩耗の抑制効果が得られる。逆に、支持中心（Ｐ２）を歯幅中心（Ｐ１）に対して静止側内歯歯車（２）の側にずらすと、ラチェティングトルクの増大効果が得られる。

　本発明において、図１（ｂ）に示すように、第１内歯歯車（２Ａ）の歯幅（Ｗ２Ａ）と第２内歯歯車（３Ａ）の歯幅（Ｗ３Ａ）が異なる場合には、支持中心（Ｐ２）を通り中心軸線（１ａ）に直交する直交面（ＰＬ）を中心として、中心軸線（１ａ）の方向における一方の側に第１内歯歯車（２Ａ）が位置し、他方の側に第２内歯歯車（３Ａ）が位置する。

　ここで、歯幅中心（Ｐ１）に対する支持中心（Ｐ２）のずれ量（Δ）は、外歯歯車（４）のピッチ円直径の１％～４％の範囲内の値にすることが望ましい。ずれ量（Δ）は、具体的な運転条件等に応じて適切な量に設定される。ずれ量（Δ）が多くなると、支持中心（Ｐ２）から離れる側の内歯歯車における機械的特性が大きく低下する可能性が高い。よって、実用上においては、ずれ量（Δ）を、外歯歯車（４）のピッチ円直径の１％～４％の範囲内の値とすれば良い。

　ウエーブジェネレータ（５）は、一般的に、図１に示すように、ウエーブプラグ（６）と、このウエーブプラグ（６）の外周面に装着したウエーブベアリング（７）とを備えている。前記ウエーブベアリング（７）は半径方向に撓み可能な外輪（８）を備え、外輪（８）の外周面が外歯支持面（５ａ）である。この場合には、支持中心（Ｐ２）は、ウエーブベアリング（７）の転動体（９）における中心軸線（１ａ）の方向の中央位置である。図示のように転動体（９）がボールの場合には、支持中心（Ｐ２）はボール中心に一致する。

　また、一般的には、前記第１内歯歯車（２）の歯数は第１歯数であり、第２内歯歯車（３）の歯数は、第１歯数よりも少ない第２歯数であり、外歯歯車（４）の歯数は第２歯数と同一に設定される。

（ａ）および（ｂ）は、本発明の波動歯車装置を示す説明図である。（ａ）および（ｂ）は、本発明を適用した実施の形態に係る波動歯車装置の端面図および縦断面図である。図２の波動歯車装置の変形例を示す縦断面図である。従来の波動歯車装置を示す端面図および縦断面図である。

　以下に、図面を参照して、本発明を適用した波動歯車装置の実施の形態を説明する。

　図２（ａ）は実施の形態に係る波動歯車装置の端面図であり、図２（ｂ）はその縦断面図である。波動歯車装置１０は、中心軸線１０ａの方向に並列配置された第１内歯歯車１２および第２内歯歯車１３を備えている。これら第１、第２内歯歯車１２、１３の内側には、半径方向に撓み可能な筒状の外歯歯車１４が同軸に配置されている。外歯歯車１４は第１、第２内歯歯車１２、１３のそれぞれにかみ合い可能である。外歯歯車１４の内側には、ウエーブジェネレータ１５が同軸に配置されている。ウエーブジェネレータ１５は、外歯歯車１４を半径方向に非円形に撓めて、当該外歯歯車１４を第１、第２内歯歯車１２、１３のそれぞれに対して部分的にかみ合わせている。

　第１内歯歯車１２は不図示の固定側部材に固定される静止側内歯歯車であり、第２内歯歯車１３は減速回転が出力される駆動側内歯歯車である。静止側の第１内歯歯車１２の歯数は駆動側の第２内歯歯車１３の歯数よりも多い。また、第１、第２内歯歯車１２、１３の内歯１２ａ、１３ａの歯幅は同一である。

　外歯歯車１４の外歯１４ａは、第１、第２内歯歯車１２、１３の双方の内歯１２ａ、１３ａに対して、これらの内歯１２ａ、１３ａの歯幅方向の全体に亘ってかみ合い可能な歯幅を備えている。第１、第２内歯歯車１２、１３は僅かの隙間で並列配置されており、外歯１４ａの歯幅は、これらの内歯１２ａ、１３ａの略２倍に略等しい。外歯歯車１４の歯数は駆動側の第２内歯歯車１３の歯数と同一である。

　ウエーブジェネレータ１５は、楕円状輪郭をした所定厚さのウエーブプラグ１６と、このウエーブプラグ１６の楕円状外周面に装着したウエーブベアリング１７とを備えている。ウエーブプラグ１６の中心部には、モーター軸（図示せず）等を取り付けるための軸穴１６ａを備えたボス１６ｂが形成されている。ウエーブベアリング１７は半径方向に撓み可能な外輪１８ａおよび内輪１８ｂと、これらの間に転動可能な状態で装着された複数個のボール１９とを備えている。外輪１８ａの楕円状に撓められた外周面が外歯歯車１４の内周面１４ｂに当接した外輪支持面１５ａである。

　外歯歯車１４はウエーブジェネレータ１５によって楕円状に撓められ、その楕円形状の長軸の両端の位置において、第１、第２内歯歯車１２、１３の双方にかみ合っている。ウエーブジェネレータ１５を回転すると、第１、第２内歯歯車１２、１３と外歯歯車１４のかみ合い位置が円周方向に移動する。本例では、第１内歯歯車１２の歯数は、第２内歯歯車１３の歯数および外歯歯車１４の歯数に対して２ｎ枚多い（ｎ：正の整数）。例えば２枚多い。ウエーブジェネレータ１５が１回転すると、この歯数差分だけ、第１内歯歯車１２と外歯歯車１４の間に相対回転が生ずる。第１内歯歯車１２は回転しないように固定された静止側内歯歯車であるので、外歯歯車１４が回転する。外歯歯車１４にかみ合っている他方の第２内歯歯車１３は、外歯歯車１４と歯数が同一であるので、外歯歯車１４と一体回転する。

　ここで、外歯歯車１４の外歯１４ａにおける歯幅方向の中央位置を歯幅中心Ｐ１とする。また、ウエーブジェネレータ１５の外歯支持面１５ａにおける中心軸線１０ａの方向の中央位置を支持中心Ｐ２とする。支持中心Ｐ２は、中心軸線１０ａの方向において、転動体であるボール１９の中心に一致する。

　本例においては、ウエーブジェネレータ１５の支持中心Ｐ２は、外歯歯車１４の歯幅中心Ｐ１に対して、中心軸線１０ａの方向に沿って、静止側の第１内歯歯車１２の側にずれた位置に設定されている。これらのずれ量Δは、楕円状に撓められる前の真円状態の外歯歯車１４におけるピッチ円直径の１％～４％の範囲内の値に設定されている。第１、第２内歯歯車１２、１３は、歯幅中心Ｐ１を通り中心軸線１０ａに直交する直交面ＰＬを中心として左右対称の位置に配置されている。

　このように、ウエーブジェネレータ１５の外歯の支持中心Ｐ２を静止側の第１内歯歯車１２の側にずらすと、外歯の支持中心Ｐ２と歯幅中心Ｐ１が一致する場合（図４参照）に比べて、内歯１３ａと外歯１４ａの間のラチェティングトルクを高めることができる。

　図３は図２の波動歯車装置１０の変形例を示す縦断面図である。図３に示す波動歯車装置１０Ａでは、ウエーブジェネレータ１５による外歯１４ａの支持中心Ｐ２を、外歯１４ａの歯幅中心Ｐ１に対して、中心軸線１０ａの方向に沿って駆動側の第２内歯歯車１３の側にずらしてある。このようにすると、外歯の支持中心Ｐ２と歯幅中心Ｐ１が一致する場合（図４参照）に比べて、内歯１３ａと外歯１４ａのかみ合いに起因する歯面摩耗を抑制することができる。

（その他の実施の形態）
　上記の実施の形態では、第１、第２内歯歯車１２、１３の歯幅が同一であるが、図１（ｂ）に示すように、第１、第２内歯歯車１２、１３の歯幅が異なる場合にも本発明を適用可能である。この場合においても、外歯４ａの歯幅は、第１内歯歯車２Ａの内歯２ｂと第２内歯歯車３Ａの内歯３ｂの歯幅の合計にほぼ等しい。また、第１、第２内歯歯車２Ａ、３Ａは、ウエーブジェネレータによる外歯の支持中心Ｐ２を通る直交面ＰＬを中心として、その両側に配置される。

　また、上記の実施の形態では可撓性の内外輪を備えたボールベアリングをウエーブジェネレータに用いている。この代わりに、先に引用した特許文献３に記載されているように、可撓性の内外輪を備えたニードルローラベアリングをウエーブジェネレータに用いることも可能である。

　さらに、ウエーブジェネレータとしては、先に引用した特許文献４に記載されている一対のローラーを備えたウエーブジェネレータ、あるいは複数対のローラーを備えたウエーブジェネレータを用いることも可能である。

Claims

　中心軸線（１ａ）の方向に並列配置された第１内歯歯車（２、２Ａ）および第２内歯歯車（３、３Ａ）と、
　前記第１、第２内歯歯車（２、３）の内側に配置され、当該第１、第２内歯歯車（２、３）のそれぞれにかみ合い可能な筒状をした可撓性の外歯歯車（４）と、
　前記外歯歯車（４）の内側に配置され、当該外歯歯車（４）を半径方向に撓めて前記第１、第２内歯歯車（２、３）のそれぞれに対して部分的にかみ合わせているウエーブジェネレータ（５）と、
を有し、
　前記外歯歯車（４）の外歯（４ａ）は、前記第１、第２内歯歯車（２、３）（２Ａ、３Ａ）の双方の内歯（２ａ、３ａ）（２ｂ、３ｂ）に対して、これらの内歯（２ａ、３ａ）（２ｂ、３ｂ）の歯幅方向の全体に亘ってかみ合い可能な歯幅を備え、
　前記ウエーブジェネレータ（５）は、前記外歯歯車（４）の内周面に当接して当該外歯歯車を半径方向に非円形となるように撓める外歯支持面（５ａ）を備え、
　前記中心軸線（１ａ）の方向における前記外歯支持面（５ａ）の中心位置を支持中心（Ｐ２）と呼び、前記外歯（４ａ）の歯幅方向の中央位置を歯幅中心（Ｐ１）と呼ぶものとすると、
　前記支持中心（Ｐ２）は、前記歯幅中心（Ｐ１）に対して、前記中心軸線（１ａ）の方向に沿って、前記第１内歯歯車（２）の側あるいは前記第２内歯歯車（３）の側にずれた位置に設定されていることを特徴とする波動歯車装置（１、１Ａ）。
　前記第１内歯歯車（２）の歯幅（Ｗ２）と前記第２内歯歯車（３）の歯幅（Ｗ３）が同一であり、
　前記歯幅中心（Ｐ１）を通り前記中心軸線（１ａ）に直交する直交面（ＰＬ）を中心として、前記第１、第２内歯歯車（２、３）は対称の位置に配置されている請求項１に記載の波動歯車装置（１）。
　前記第１内歯歯車（２Ａ）の歯幅（Ｗ２Ａ）と前記第２内歯歯車（３Ａ）の歯幅（Ｗ３Ａ）が異なり、
　前記支持中心（Ｐ２）を通り前記中心軸線（１ａ）に直交する直交面（ＰＬ）を中心として、前記中心軸線（１ｃ）の方向における一方の側に前記第１内歯歯車（２Ａ）が位置し、他方の側に前記第２内歯歯車（３Ａ）が位置している請求項１に記載の波動歯車装置（１Ａ）。
　前記歯幅中心（Ｐ１）に対する前記支持中心（Ｐ２）のずれ量（Δ）は、前記外歯歯車（４）のピッチ円直径の１％～４％の範囲内の値である請求項１ないし３のうちのいずれか一つの項に記載の波動歯車装置（１、１Ａ）。
　ウエーブジェネレータ（５）は、ウエーブプラグ（６）と、このウエーブプラグ（６）の外周面に装着したウエーブベアリング（７）とを備え、
　前記ウエーブベアリング（７）は半径方向に撓み可能な外輪（８）を備え、
　前記外輪（８）の外周面が前記外歯支持面（５ａ）であり、
　前記支持中心（Ｐ２）は、前記ウエーブベアリング（７）の転動体（９）における前記中心軸線（１ａ）の方向の中央位置である請求項１ないし４のうちのいずれか一つの項に記載の波動歯車装置（１、１Ａ）。
　前記第１内歯歯車（２）の歯数は第１歯数であり
　前記第２内歯歯車（３）の歯数は、前記第１歯数よりも少ない第２歯数であり、
　前記外歯歯車（４）の歯数は前記第２歯数と同一に設定される請求項１ないし５のうちのいずれか一つの項に記載の波動歯車装置（１、１Ａ）。