WO2023079641A1

WO2023079641A1 - 波動歯車装置

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Publication number: WO2023079641A1
Application number: PCT/JP2021/040627
Authority: WO
Inventors: 優小林
Original assignee: 株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2023-05-11
Also published as: JPWO2023079641A1; TW202319664A; JP7408262B2; KR20230066329A

Abstract

波動歯車装置（１）では、外歯歯車（４）の軸線方向の移動を規制するために、外歯歯車（４）の一方の第１環状端面（４１）と固定側部材である装置ハウジング（７）との間の接触を、これらの間に直接に転動体である第１ボール（１３）を介在させることで、転がり接触としてある。同様に、外歯歯車（４）の他方の第２環状端面（４２）と回転側部材である出力軸（８）との間の接触を、これらの間に直接に転動体である第２ボール（２３）を介在させることで、転がり接触としてある。接触部分として転がり接触以外の接触が無いので、接触部分の滑りによる摩擦ロスを大幅に低減できる。転がり接触する部分に軸線方向から与圧を掛けて、軸線方向のがたつきを無くすことで、外歯歯車（４）の軸線方向の移動が確実に抑制され、大きなスラスト力の発生が防止される。

Description

波動歯車装置

　本発明は、外歯歯車の軸線方向の移動を規制する機構を備えた波動歯車装置に関する。

　波動歯車装置としてフラット型波動歯車装置が知られている。フラット型波動歯車装置においては、外歯歯車が軸線方向（スラスト方向）に移動するウォーキングと呼ばれる現象が起きる。通常、外歯歯車の軸線方向の移動を、許容される可動範囲に制限するために、外歯歯車の移動を規制する規制部材（Ｆ／Ｓ寄り止め部：プレ－ト、止め輪など）が配置される（特許文献１、２）。また、外歯歯車の部位に、エンドレスばねなどを配置すること（特許文献３）、外歯歯車をやま歯にすることなどが提案されている。

特開２０１４－１９９１３０号公報実開平３－１１９６４３号公報国際公開第２０１６／１９４０６６号

　しかしながら、波動歯車装置における外歯歯車の軸線方向の移動を規制する従来の機構では、外歯歯車に微小ではあるが軸線方向の変位が生じ、規制部材との間の接触部分の滑りによる摩擦ロスが大きいという課題がある。

　本発明の目的は、外歯歯車の軸線方向の変位を抑制でき、かつ、外歯歯車の軸線方向の移動を規制する部材との間の接触部分の滑りによる摩擦ロスを大幅に低減できるようにした波動歯車装置を提供することにある。

　上記の課題を解決するために、本発明の波動歯車装置は、
　軸線方向に同軸に並べて配置した固定側の第１内歯歯車および回転側の第２内歯歯車と、
　これら第１、第２内歯歯車の内側に同軸に配置された半径方向に撓み可能な円筒状の外歯歯車と、
　外歯歯車を半径方向に撓めて第１、第２内歯歯車のそれぞれに部分的にかみ合わせ、かみ合い位置を円周方向に移動させる波動発生器と、
　外歯歯車の軸線方向の移動を規制するために、外歯歯車を挟み、軸線方向における第１内歯歯車の側に配置した第１規制部および第２内歯歯車の側に配置した第２規制部と、
を有しており、
　第１規制部は、外歯歯車の軸線方向における第１内歯歯車の側の第１環状端面に形成した第１軌道溝と、当該第１軌道溝に軸線方向から対峙する固定側部材に形成した固定側軌道溝と、第１軌道溝と固定側軌道溝との間に転動可能な状態で挟まれている複数個の第１転動体とを備えており、
　第２規制部は、外歯歯車の軸線方向における第２内歯歯車の側の第２環状端面に形成した第２軌道溝と、当該第２軌道溝に軸線方向から対峙する第２内歯歯車と一体回転する回転側部材に形成した回転側軌道溝と、第２軌道溝と回転側軌道溝との間に転動可能な状態で挟まれている複数個の第２転動体とを備えていることを特徴としている。

　ここで、第１規制部における第１軌道溝と固定側軌道溝との間に第１転動体が軸線方向に所定の与圧状態で保持されていることが望ましい。また、第２規制部における第２軌道溝と回転側軌道溝との間に第２転動体が軸線方向に所定の与圧状態で保持されていることが望ましい。

　外歯歯車のリム厚を厚くすることで、その軸線方向の両端の第１、第２環状端面を、転動体が転動する第１、第２軌道溝を形成可能な幅にして、第１、第２規制部を設けることができる。

　本発明の波動歯車装置では、外歯歯車と、その軸線方向の移動を規制する両側の固定側部材および回転側部材との間の接触を、これらの間に直接に転動体を介在させることで、転がり接触としてある。接触部分として転がり接触以外の接触が無いので、接触部分の滑りによる摩擦ロスを大幅に低減できる。また、転がり接触する部分に軸線方向から与圧を掛けて、軸線方向のがたつきを無くすことで、外歯歯車の軸線方向の移動が確実に抑制され、大きなスラスト力の発生が防止される。この結果、波動歯車装置の効率を向上できる。

（Ａ）は本発明を適用した波動歯車装置を示す概略縦断面図であり、（Ｂ）は内歯歯車と外歯歯車のかみ合い状態を示す説明図である。（Ａ）は外歯歯車を示す概略半縦断面図であり、（Ｂ１）は第１規制部を示す説明図であり、（Ｂ２）は第１規制部の軌道溝を示す説明図であり、（Ｃ１）は第２規制部を示す説明図であり、（Ｃ２）は第２規制部の軌道溝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装置の実施の形態を説明する。以下に述べる実施の形態は本発明の一例を示すものであり、当該実施の形態に本発明を限定することを意図したものでは無い。

　図１（Ａ）は実施の形態に係るフラット型波動歯車装置を示す概略縦断面図であり、図１（Ｂ）は内歯歯車と外歯歯車のかみ合い状態を示す説明図である。フラット型波動歯車装置１（以下、単に、「波動歯車装置１」という。）は、軸線方向に同軸に並べて配置した固定側の第１内歯歯車２および回転側の第２内歯歯車３と、第１、第２内歯歯車２、３の内側に同軸に配置された半径方向に撓み可能な円筒状の外歯歯車４と、外歯歯車の内側に同軸に配置された波動発生器５とを備えている。波動発生器５は、剛性プラグ５ａと、この剛性プラグ５ａの楕円状外周面５ｂに装着されて楕円状に撓められているウエーブベアリング５ｃとを備えている。本例の固定側の第１内歯歯車２は固定側部材である装置ハウジング７に締結固定されており、回転側の第２内歯歯車３は、回転側部材である円盤状の出力軸８に締結固定されている。出力軸８は、軸受９を介して、装置ハウジング７によって回転自在の状態で支持されている。

　外歯歯車４は、図１（Ｂ）に示すように、波動発生器５によって楕円形状に撓められて、楕円形状の長軸Ｌｍａｘの両端部分において第１、第２内歯歯車２、３にそれぞれかみ合っている。固定側の第１内歯歯車２の歯数は、外歯歯車４の歯数より２ｎ枚（ｎは正の整数）多く、回転側の第２内歯歯車３の歯数は、外歯歯車４の歯数と同一である。モータ等によって波動発生器５が回転すると、固定側の第１内歯歯車２と外歯歯車４との間のかみ合い位置が円周方向に移動し、外歯歯車４が歯数差に応じた回転数で回転する。外歯歯車４と歯数が同一の第２内歯歯車３は、外歯歯車４と一体回転し、外歯歯車４の回転が、第２内歯歯車３を介して出力軸８から出力される。

　ここで、波動歯車装置１は、外歯歯車４の軸線方向の移動を規制するために、外歯歯車４を挟み、軸線方向における第１内歯歯車２の側に配置した第１規制部１０および第２内歯歯車３の側に配置した第２規制部２０を備えている。

　図２（Ａ）は外歯歯車を示す概略半縦断面図であり、図２（Ｂ１）は第１規制部の断面形状およびその軌道溝を示す説明図であり、（Ｂ２）は第１規制部の軌道溝を示す説明図であり、（Ｃ１）は第２規制部の断面形状およびその軌道溝を示す説明図であり、（Ｃ２）は第２規制部の軌道溝を示す説明図である。

　第１規制部１０は、図２（Ｂ１）に示すように、外歯歯車４の軸線方向における第１内歯歯車２の側の第１環状端面４１に形成されている第１軌道溝１１と、当該第１軌道溝１１に軸線方向から対峙する固定側部材である装置ハウジング７の環状端面７１に形成した固定側軌道溝１２と、第１軌道溝１１と固定側軌道溝１２との間に転動可能な状態で挟まれている複数個の第１ボール１３（第１転動体）と、第１ボール１３を円周方向に所定の間隔で保持するリテーナ１４とを備えている。外歯歯車４の第１環状端面４１に形成した第１軌道溝１１に対して、第１ボール１３を挟み、固定側軌道溝１２の側から軸線方向に所定の与圧が付与されている。適切な与圧状態が形成されるように、第１軌道溝１１に対する固定側軌道溝１２の軸線方向の位置が設定されている。

　第２規制部２０は、図２（Ｃ１）に示すように、外歯歯車４の軸線方向における第２内歯歯車３の側の第２環状端面４２に形成した第２軌道溝２１と、当該第２軌道溝２１に軸線方向から対峙する回転側部材である出力軸８の環状端面８１に形成した回転側軌道溝２２と、第２軌道溝２１と回転側軌道溝２２との間に転動可能な状態で挟まれている複数個の第２ボール２３（第２転動体）とを備えている。外歯歯車４の第２環状端面４２に形成した第２軌道溝２１に対して、第２ボール２３を挟み、回転側軌道溝２２の側から軸線方向に所定の与圧が付与されている。適切な与圧状態が形成されるように、第２軌道溝２１に対する回転側軌道溝２２の軸線方向の位置が設定されている。

　第１規制部１０は、波動歯車装置１の運転状態において減速回転する外歯歯車４と、固定側の装置ハウジング７との間に配置されている。図２（Ｂ１）、（Ｂ２）を参照して説明すると、外歯歯車４の側の第１軌道溝１１および装置ハウジング７の側の固定側軌道溝１２は、それぞれ、軸線１ａを中心とする円環状軌道溝であり、軸線方向から一定の間隔で対峙する対称な形状をしている。図２（Ｂ２）において太い実線で示す固定側軌道溝１２に対して、楕円形状に撓められる外歯歯車４の側の第１軌道溝１１は、細い一点鎖線で示すように、円環形状から楕円形状に撓められている。波動発生器５の回転に伴って、第１軌道溝１１の円周方向の各部分は繰り返し半径方向に一定の振幅（ｄｆ）で変位する。円環形状の固定側軌道溝１２と、各部分が繰り返し半径方向に変位する第１軌道溝１１との間において、第１ボール１３が転動自在の状態で保持されるように、これらの軌道溝が形成されている。また、これらの軌道溝の間には、４個以上の第１ボール１３が挿入されており、これらの第１ボール１３はリテーナ１４によって円周方向に等角度間隔に保持されている。例えば、図２（Ｂ２）に示すように４個の第１ボール１３が挿入されている。

　第１規制部１０の第１軌道溝１１および固定側軌道溝１２は、平坦な溝底面１１ａ、１２ａと、この溝底面１１ａ、１２ａにおける半径方向の外周縁および内周縁に繋がる円弧状凹面からなる外周側溝側面１１ｂ、１２ｂおよび内周側溝側面１１ｃ、１２ｃを備えている。第１軌道溝１１、固定側軌道溝１２の溝深さＨ１は、第１ボール１３の直径をＤ１とすると、０．０７Ｄ１～０．０９Ｄ１にすることができる。
　０．０７Ｄ１　≦　Ｈ１　≦　０．０９Ｄ１

　第１ボール１３は、円環形状の固定側軌道溝１２と、楕円形状の撓められた状態で周方向の各部分が半径方向に繰り返し変位する第１軌道溝１１との間において、図２（Ｂ１）に一点鎖線の矢印１３Ａで示すように、波動発生器５が１回転する毎に、半径方向に所定の振幅の波状の軌跡に沿って転動する。このような第１ボール１３の動きを阻害しないように、溝底面１１ａ、１２ａの幅Ｗ１は、楕円形状に撓められる外歯歯車４の長軸Ｌｍａｘの位置での半径方向の撓み量をｄｆとすると、少なくとも、ｄｆに設定される。
　Ｗ１≧ｄｆ

　また、溝内を動き回る第１ボール１３に干渉しないように、外周側溝側面１１ｂ、１２ｂおよび内周側溝側面１１ｃ、１２ｃを規定する円弧状凹面の曲率半径Ｒ１は、０．５２Ｄ１～０．７Ｄ１に設定される。
　０．５２Ｄ１　≦　Ｒ１　≦　０．７Ｄ１

　一方、第２規制部２０は、軸線１ａを中心として同一速度で回転する外歯歯車４と出力軸８との間に配置されている。図２（Ｃ１）、（Ｃ２）を参照して説明すると、外歯歯車４の側の第２軌道溝２１および出力軸８の側の回転側軌道溝２２は、それぞれ、軸線１ａを中心として等角度間隔に配置された円形の離散軌道溝（軌道ポケット）である。軸線方向から一定の間隔で対峙する一対の離散軌道溝である第２軌道溝２１および回転側軌道溝２２が、軸線１ａを中心とする同一円上において等角度間隔で４か所以上の位置に形成されている。各位置において、第２軌道溝２１と回転側軌道溝２２との間には、それぞれ、１個の第２ボール２３が転動自在の状態で保持されている。例えば、図２（Ｃ２）に示すように、４か所に、１個ずつ第２ボール２３が保持された離散軌道溝が形成されている。図２（Ｃ２）において太い実線で示す４か所に形成した回転側軌道溝２２に対して、楕円形状に撓められる外歯歯車の側の４か所の円形の第２軌道溝２１は、細い一点鎖線で示すように、波動発生器５の回転に伴って半径方向に一定の振幅で変位する。同一円上に位置する円形の回転側軌道溝２２と、繰り返し半径方向に変位する円形の第２軌道溝２１との間において、第２ボール２３が転動自在の状態で保持されるように、これらの軌道溝が形成されている。

　円形輪郭の離散軌道溝である第２軌道溝２１および回転側軌道溝２２は、所定の大きさの平坦な溝底面２１ａ、２２ａと、この溝底面２１ａ、２２ａを取り囲む円弧状凹面からなる内周側面２１ｂ、２２ｂとを備えている。第２軌道溝２１、回転側軌道溝２２の溝深さＨ２は、第２ボール２３の直径をＤ２とすると、０．０７Ｄ２～０．０９Ｄ２にすることができる。
　０．０７Ｄ２　≦　Ｈ２　≦　０．０９Ｄ２

　第２軌道溝２１、回転側軌道溝２２の間を転動する第２ボール２３は、波動発生器５が１回転する毎に、図２（Ｃ１）において一点鎖線の矢印２３Ａで示すように、溝内において楕円を描く動きをする。このような第２ボール２３の動きを阻害しないように、溝底面２１ａ、２２ａの直径Ｗ２は、少なくとも、ｄｆに設定される。
　Ｗ２≧ｄｆ

　また、溝内を動き回る第２ボール２３に干渉しないように、第２軌道溝２１、回転側軌道溝２２の内周側面２１ｃ、２２ｃを規定する円弧状凹面の曲率半径Ｒ２は、０．５２Ｄ２～０．７Ｄ２に設定される。
　０．５２Ｄ２　≦　Ｒ２　≦　０．７Ｄ２

　本例では、第１、第２ボール１３、２３として同一径のボールを使用しており、Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄである。異なる径のボールを使用することも可能である。

　次に、外歯歯車４はリム厚を厚くしてあり、これによって、両側の第１環状端面４１、第２環状端面４２を、上記の第１、第２軌道溝１１、２１を形成可能な幅を備えた端面としてある。鋼製の外歯歯車はリム厚を厚くすると疲労強度が低下するので、リム厚を厚くするには、必要とされる疲労強度が得られるように外歯歯車の材質を選択する必要がある。例えば、アルミニウム素材、樹脂素材から外歯歯車４が製作される。

　本例では、外歯歯車４の両側の第１、第２環状端面４１、４２に、前述した第１軌道溝１１および第２軌道溝２１を形成できるように、第１環状端面４１の半径方向の幅Ｔ１（厚さ）を、（ｄｆ＋０．６５Ｄ１）以上にし、第２環状端面４２の半径方向の幅Ｔ２（厚さ）を、（ｄｆ＋０．６５Ｄ２）以上にしている。本例では、Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄであるので、外歯歯車４の歯幅方向の全体に亘って、そのリム厚Ｔは、（ｄｆ＋０．６５Ｄ）以上に設定される。
　Ｔ　≧　　ｄｆ＋０．６５Ｄ

　以上説明したように、波動歯車装置１においては、外歯歯車４の軸線方向の移動を規制するために、外歯歯車４の軸線方向の一方の側に第１規制部１０を配置し、他方の側に第２規制部２０を配置してある。第１規制部１０は、外歯歯車４の一方の第１環状端面４１と固定側部材である装置ハウジング７に形成した固定側端面との間の間に直接に第１ボール１３を介在させた構成となっている。同様に、第２規制部２０は、外歯歯車４の他方の第２環状端面４２と回転側部材である出力軸８に形成した回転側端面との間に直接に第２ボール２３を介在させた構成となっている。外歯歯車４の軸線方向の移動を規制するための接触部分として転がり接触以外の接触が無いので、接触部分の滑りによる摩擦ロスを大幅に低減できる。また、転がり接触する部分に軸線方向から与圧を掛けて、軸線方向のがたつきを無くすことで、外歯歯車４の軸線方向の移動が確実に抑制され、大きなスラスト力の発生が防止され、波動歯車装置の効率を大幅に向上できる。

Claims

　軸線方向に同軸に並べて配置した固定側の第１内歯歯車および回転側の第２内歯歯車と、
　前記第１、第２内歯歯車の内側に同軸に配置された半径方向に撓み可能な円筒状の外歯歯車と、
　前記外歯歯車を半径方向に撓めて前記第１、第２内歯歯車のそれぞれに部分的にかみ合わせ、かみ合い位置を円周方向に移動させる波動発生器と、
　前記外歯歯車の前記軸線方向の移動を規制するために、前記外歯歯車を挟み、前記軸線方向における前記第１内歯歯車の側に配置した第１規制部および前記第２内歯歯車の側に配置した第２規制部と、
を有する波動歯車装置において、
　前記第１規制部は、前記外歯歯車の前記軸線方向における前記第１内歯歯車の側の第１環状端面に形成した第１軌道溝と、当該第１軌道溝に前記軸線方向から対峙する固定側部材に形成した固定側軌道溝と、前記第１軌道溝と前記固定側軌道溝との間に転動可能な状態で挟まれている複数個の第１転動体とを備えており、
　前記第２規制部は、前記外歯歯車の前記軸線方向における前記第２内歯歯車の側の第２環状端面に形成した第２軌道溝と、当該第２軌道溝に前記軸線方向から対峙する前記第２内歯歯車と一体回転する回転側部材に形成した回転側軌道溝と、前記第２軌道溝と前記回転側軌道溝との間に転動可能な状態で挟まれている複数個の第２転動体とを備えていることを特徴とする波動歯車装置。
　請求項１において、
　前記第１規制部における前記第１軌道溝と前記固定側軌道溝との間に前記第１転動体が軸線方向に所定の与圧が付与された状態で保持されており、
　前記第２規制部における前記第２軌道溝と前記回転側軌道溝との間に前記第２転動体が軸線方向に所定の与圧が付与された状態で保持されている波動歯車装置。
　請求項２において、
　前記第１規制部の前記第１軌道溝および前記固定側軌道溝は、それぞれ、軸線を中心とする連続した円環状軌道溝であり、
　前記円環状軌道溝の間には、円周方向に間隔を開けた状態で前記第１転動体である第１ボールがリテーナによって保持されており、
　前記第２規制部の前記第２軌道溝および前記回転側軌道溝は、それぞれ、前記軸線を中心として所定の角度間隔で配置された複数の離散軌道溝であり、
　前記軸線方向から対峙する前記離散軌道溝の間には、それぞれ、前記第２転動体である第２ボールが１個ずつ保持されている波動歯車装置。
　請求項３において、
　前記第１規制部の前記円環状軌道溝の間には、前記円周方向における等角度間隔の位置に、少なくとも４個の前記第１転動体が保持されており、
　前記第２規制部の前記離散軌道溝は、少なくとも、同一円上において等角度間隔で４か所に形成されており、各離散軌道溝に１個ずつ前記第２転動体が保持されている波動歯車装置。
　請求項３において、
　前記円環状軌道溝は、半径方向に所定の幅の平坦な溝底面と、この溝底面における半径方向の外周縁および内周縁に繋がる円弧状凹面からなる外周側溝側面および内周側溝側面とを備えており、
　前記離散軌道溝は、所定の大きさの平坦な溝底面と、この溝底面を取り囲む円弧状凹面からなる内周側面とを備えている波動歯車装置。
　請求項５において、
　前記外歯歯車は、前記波動発生器によって楕円形状に撓められ、当該楕円形状の長軸上の位置において前記第１、第２内歯歯車にかみ合っており、
　前記円環状軌道溝の溝深さは、前記第１ボールの直径をＤ１とすると、０．０７Ｄ１～０．０９Ｄ１であり、
　前記円環状軌道溝の前記溝底面の幅は、前記楕円形状に撓められる前記外歯歯車の長軸位置での撓み幅をｄｆとすると、少なくとも０．５ｄｆであり、
　前記外周側溝側面および前記内周側溝側面を規定する前記円弧状凹面の曲率半径は、０．５２Ｄ１～０．７Ｄ１であり、
　前記離散軌道溝の溝深さは、前記第２ボールの直径をＤ２とすると、０．０７Ｄ２～０．０９Ｄ２であり、
　前記離散軌道溝の前記溝底面の大きさは、少なくとも、前記撓み幅ｄｆを直径あるいは長径とする円形底面または楕円形底面であり、
　前記離散軌道溝の前記内周側面を規定する前記円弧状凹面の曲率半径は、０．５２Ｄ２～０．７Ｄ２である波動歯車装置。
　請求項６において、
　前記外歯歯車の前記第１環状端面の半径方向の幅は、少なくとも、
　ｄｆ＋０．６５Ｄ１
であり、
　前記第２環状端面の半径方向の幅は、少なくとも、
　ｄｆ＋０．６５Ｄ２
である波動歯車装置。