JP2015169256A - 波動歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外歯歯車の回転力を出力部材に対して伝える伝動構成を強固にすると共に、外歯歯車の回転力を円滑に出力部材に伝える波動歯車装置を構成する。【解決手段】内歯歯車Ｃと、この内歯歯車Ｃより少ない歯数で可撓性材料により円環状に形成される外歯歯車Ｆと、回転軸芯Ｘを中心に回転することで外歯歯車Ｆの一部を撓めて内歯歯車Ｃに噛み合う位置を周方向に変位させる波動機構Ｗと、外歯歯車Ｆの回転を取り出す出力部材Ｐとを備えている。外歯歯車Ｆにおいて回転軸芯Ｘに沿う方向での端部に、この外歯歯車Ｆから回転軸芯Ｘに沿う方向に突出する複数の伝動部１２を形成し、この伝動部１２が嵌り込む孔部２３を出力部材Ｐに形成した。【選択図】図４

Description

本発明は、波動歯車装置に関し、詳しくは、内歯歯車と、可撓性材料により円環状に形成される外歯歯車と、外歯歯車の一部を撓めて内歯歯車に噛み合わせ、回転により噛み合い位置を周方向に変位させる波動機構と、波動機構の回転に伴う外歯歯車の回転力を取り出す出力部材とを備えた波動歯車装置において、外歯歯車から出力部材に回転力を伝える構成の改良に関する。

上記のように構成された波動歯車装置として特許文献１には、外歯歯車（文献では撓み歯車）の外端位置に複数個の凹凸を形成し、出力軸と一体回転する出力部材（文献ではフランジ部）の外周に複数個の凹凸を形成し、これらを噛み合わせることにより、外歯歯車の回転力を出力部材に伝える構成が記載されている。

また、特許文献２には、外歯歯車（文献では可撓性外歯歯車の胴部）の端部に複数の凹部を形成し、出力部材（文献では可撓性外歯歯車の円板部）の外周に突出部を形成し、この突出部を凹部に係合させることにより、外歯歯車の回転力を出力部材に伝える波動歯車装置が記載されている。

この特許文献２では、円板部に形成される突出部に対して円周方向に撓み変形可能な板バネ部を設け、この板バネ部が外歯歯車の凹部に対して円周方向に常時付勢して係合する構成も示されている。

特開２００５‐５４９８１号公報 特開２０１１‐１９６４２３号公報

この種の波動歯車装置では、外歯歯車が可撓性材料で構成され、作動時には外歯歯車が撓むように変形するため、この外歯歯車の回転力を出力部材に伝える部位には外歯歯車の変形を許容する構成を必要とする。そこで、特許文献１や特許文献２に示される構成を採用することも考えられる。

特許文献１の構成では、波動機構の一対のローラが外歯歯車の内周に接触し回転する場合には、外歯歯車を略楕円形に変形させるため、外歯歯車の端部に突出形成される凸部（凹凸の凸部を形成する部材）は、単純に回転軸芯からの半径方向での距離だけが変化するのではなく、周方向（回転軸芯を中心にした回転方向）の位置も変化する。つまり、外歯歯車が回転する場合には、外歯歯車に形成された複数の凸部は周方向に不等速で運動する（角速度が変化する）ことになる。

従って、特許文献１の構成のように、出力部材を構成する円板状の部材の外周に形成された凹部の内面に対して外歯歯車の凸部が当接して回転力を伝えるものでは、外歯歯車の複数の凸部の一部だけが凹部の内面に強く当接することになり、凸部の変形を招くことが考えられた。また、特許文献２の構成は特許文献１と類似するものであるが、凸部の数が特許文献１の構成より少ないが前述したものと同様の変形を招くことが考えられた。

特に、前述したように外歯歯車の端部に形成した凸部は不等速で回転するため、この凸部の数が少ない構成では、出力部材に対して外歯歯車から伝えられる回転動力が、所定の回転位相で一時的に低下し出力部材の円滑な回転が行われないことも考えられた。

本発明の目的は、外歯歯車の回転力を出力部材に対して伝える伝動構成を強固にすると共に、外歯歯車の回転力を円滑に出力部材に伝える波動歯車装置を合理的に構成する点にある。

本発明の特徴は、所定歯数の内歯歯車と、前記所定歯数より少ない歯数で可撓性材料により円環状に形成される外歯歯車と、回転軸芯を中心に回転することにより前記外歯歯車の一部を撓め前記内歯歯車に噛み合う位置を周方向に変位させる波動機構と、前記波動機構の回転に伴う前記外歯歯車の回転力を取り出す出力部材とを備えると共に、
前記回転軸芯に沿う方向で前記外歯歯車の端部から突出する複数の伝動部を形成し、これらの伝動部が嵌り込むように前記回転軸芯に沿う方向の孔部を前記出力部材に形成している点にある。

外歯歯車は撓んで回転するため、例えば、出力部材の外周を切り欠く形態で複数の凹部が歯車状に形成されたものでは、伝動部が凹部に対して当接する位置は半径方向に順次変化する。これにより伝動部が当該凹部の開いた側（外端側）に当接する状態では、伝動部が夫々の凹部の外端側に作用する強い当接力が基端部に曲げ力として作用し、各凹部間の凸部が曲がり変形し易くなる。また、外歯歯車の回転時には、複数の伝動部の一部が凹部から離間した状態（非当接状態）となるため、伝動部から出力部材に対する動力伝達の効率が低下する。

これに対して、本発明の構成では出力部材に対して回転軸芯に沿う方向に孔部が形成されるため、外力が作用しても出力部材の外周が変形することはない。また、外歯歯車に複数の伝動部が回転軸芯に沿う方向に突出して形成され、この伝動部を出力部材の孔部に挿入する状態で配置されるので、伝動部が回転軸芯に対して半径方向に接近又は離間する方向に変位した場合、あるいは、外歯歯車の回転時に伝動部が不等速で移動する場合でも、この伝動部は孔部の内部に存在する。これにより伝動部を孔部の内周の何れかの部位に接触させ回転力を継続的に伝えることも可能となる。
従って、外歯歯車の回転力を出力部材に対して伝える伝動構成を強固にすると共に、外歯歯車の回転力を円滑に出力部材に伝える波動歯車装置が構成された。

本発明は、前記孔部が、前記外歯歯車と前記出力部材とが前記回転軸芯を中心にして回転する際に、前記伝動部が前記出力部材に対して相対的に移動する移動軌跡に沿う内面形状で形成されても良い。

回転軸芯を中心にして外歯歯車が１回転した場合に伝動部は、出力部材に対してループ状となる所定の軌跡で相対的に移動する。このような理由から、孔部を移動軌跡に沿う内面形状に形成することにより、外歯歯車が１回転する際には伝動部の外周面を孔部の内面に対して継続的に接触させ、外歯歯車と出力部材とを円滑に一体的に回転させることが可能となる。

本発明は、前記回転軸芯に沿う方向での前記外歯歯車の端部に、前記回転軸芯に直交姿勢の平面を有するフランジ部を形成し、このフランジ部に対し前記伝動部を形成しても良い。

これによると、外歯歯車の端部のフランジを介して伝動部を形成したので、外歯歯車の外径より外側に伝動部を配置できるので、伝動部を大径化することや伝動部の数を増大することにより回転力を確実、円滑に伝えることも可能となる。

本発明は、前記伝動部が、前記外歯歯車のうち前記回転軸芯に沿う方向での一方の端部において、前記外歯の一部を回転軸芯に沿って延出することにより形成されても良い。

これによると、例えば、外歯歯車のうち回転軸芯に沿う方向での端部において一部の歯部を残す形態で歯部を切り欠く加工により伝動部を形成することが可能となり、伝動部を形成するための加工の工程を簡略化できる。

波動歯車装置の断面図である。 図１のII-II線断面図である。 図１のIII-III線断面図である。 波動歯車装置の分解斜視図である。 別実施形態（ａ）の波動歯車装置の断面図である。 別実施形態（ａ）の伝動部を示す斜視図である。 別実施形態（ｂ）の伝動部を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１〜図４に示すように、内歯歯車としてのサーキュラスプラインＣと、外歯歯車としてのフレックススプラインＦと、波動機構としてのウェーブジェネレータＷと、出力部材Ｐとを備えると共に、これらを収容するハウジングＨを備えて波動歯車装置が構成されている。実施形態実施形態

この構成の波動歯車装置は、ハーモニックドライブ(登録商標)とも称呼され、回転軸芯Ｘと同軸芯上に配置され真円となるサーキュラスプラインＣ（内歯歯車の一例）の内周に対し、このサーキュラスプラインＣの歯数より２つ少ない歯数で可撓性材料により円環状に形成されるフレックススプラインＦ（外歯歯車の一例）を配置している。更に、このフレックススプラインＦの内側に回転軸芯Ｘを中心に回転自在にウェーブジェネレータＷを（波動機構の一例）を配置した構成を有している。

図２に示す如く、ウェーブジェネレータＷはフレックススプラインＦを楕円状に変形させることによりサーキュラスプラインＣの内周の歯部の２つの領域に対して、フレックススプラインＦの外周の２つの領域を噛み合わせる機能を有している。この構成から、入力軸３１に伝えられる回転駆動力によりウェーブジェネレータＷが回転し、この回転に伴いサーキュラスプラインＣとフレックススプラインＦとが噛み合う領域が変位し、この変位時の差動によりフレックススプラインＦと出力部材Ｐとが回転し、減速された回転力が出力軸２２に伝えられるのである。尚、この波動歯車装置では、入力軸３１の回転方向と逆方向に出力軸２２が回転する。

〔ハウジング・サーキュラスプライン〕
ハウジングＨは、サーキュラスプラインＣを内周に一体形成した筒状部１と、この筒状部１に連結する側壁部２と、側壁部２の反対側に対して着脱自在に備えられる着脱壁部３とを備えている。

ハウジングＨでは、側壁部２に対してサーキュラスプラインＣの筒状部１を連結固定した構成を示しているが、例えば、側壁部２と一体的に筒状部１を形成し、この筒状部１の内周にサーキュラスプラインＣを加工により形成しても良い。また、側壁部２はブッシュで成る入力側軸受４を介して入力軸３１を回転自在に支持し、着脱壁部３はブッシュで成る出力側軸受５を介して出力軸２２を回転自在に支持している。更に、サーキュラスプラインＣは、内歯型となる多数の歯部７を有している

〔フレックススプライン〕
フレックススプラインＦは、可撓性で円筒状となる環状体１０の外周に対してサーキュラスプラインＣの歯部７の歯数より２つ少ない歯数となる歯部１１が形成されている。このフレックススプラインＦは可撓性材料で形成されるものであり、金属材と樹脂材との何れの素材で構成しても良い。

環状体１０において回転軸芯Ｘに沿う方向での一方の端部には、回転軸芯Ｘに沿う姿勢で断面形状が円形となる軸状の複数の伝動部１２が突設されている。伝動部１２は、環状体１０と一体的に形成されるものである。この伝動部１２は、歯部１１の数の１／２の数だけ形成され、歯部１１の２倍のピッチで環状体１０の側面から突出する形態で形成されている。

この伝動部１２の断面形状は円形に形成されているが、断面形状は円形に限るものではなく、例えば、３角形や矩形、あるいは楕円であっても良い。

〔出力部材〕
出力部材Ｐは、回転軸芯Ｘを中心にした円板状に形成される出力プレート２１と、これに一体的に形成され回転軸芯Ｘと同軸芯上に配置される出力軸２２とで構成されている。出力プレート２１にはフレックススプラインＦの複数の伝動部１２が挿通する孔部として回転軸芯Ｘと平行姿勢で複数の貫通孔２３が形成されている。また、出力プレート２１の中心位置には回転軸芯Ｘと同軸芯で孔部が形成され、この穴部には、ウェーブジェネレータＷの中間軸部３１Ａを回転自在に支持する軸受部２４が備えられている。

貫通孔２３は、フレックススプラインＦの環状体１０と、出力プレート２１とが回転軸芯Ｘを中心にして回転する際に、フレックススプラインＦの変形に伴い伝動部１２が出力プレート２１に対して相対的に移動する移動軌跡に沿う内面形状で形成されている。

つまり、フレックススプラインＦは、ウェーブジェネレータＷにより略楕円状に撓むように変形するため、伝動部１２は単純に回転軸芯Ｘからの半径方向での距離だけが変化するのではなく、周方向（回転軸芯Ｘを中心にした回転方向）の位置も変化する。従って、フレックススプラインＦと出力部材Ｐとが等しい速度で１回転する場合には、伝動部１２は略楕円となる軌跡に沿って変位する。このような理由から貫通孔２３は伝動部１２の移動軌跡に沿う内面形状に成形されている。

この実施形態では孔部として貫通孔２３を示しているが、これに代えて出力プレート２１に対して回転軸芯Ｘに沿う方向に窪む孔部を形成しても良い。このように孔部を形成した場合にも内周面は伝動部１２の移動軌跡に沿う内面形状に成形することによりフレックススプラインＦの回転力を出力部材Ｐに対して円滑に伝えることになる。

〔ウェーブジェネレータ〕
ウェーブジェネレータＷは、回転軸芯Ｘと同軸芯上に配置される入力軸３１と、これと一体回転するアーム３２と、このアーム３２の外端に対し回転軸芯Ｘと平行する支軸３３を中心に回転自在に支持されたローラ３４とを備えて構成されている。特に、入力軸３１には、出力軸２２の方向に突出する中間軸部３１Ａが一体的に形成され、この中間軸部３１Ａが出力部材Ｐの軸受部２４に対して相対回転自在に支持される。

このウェーブジェネレータＷは、一対のローラ３４がフレックススプラインＦの環状体１０の内周に接触することにより、この環状体１０の歯部１１をサーキュラスプラインＣの歯部７に噛合させる位置まで撓ませるように構成されている。

〔作動形態〕
このような構成により、入力軸３１が回転駆動した場合には、ウェーブジェネレータＷの一対のローラ３４が支軸３３を中心に回転（自転）する状態で、一対のローラ３４が回転軸芯Ｘを中心にフレックススプラインＦの環状体１０の内周面に沿って周方向に移動（公転）する。このローラ３４の移動により、フレックススプラインＦの歯部１１とサーキュラスプラインＣの歯部７との噛み合い位置も周方向に変位する。この変位量は、入力軸３１の１回転に対して、サーキュラスプラインＣの歯部７の歯数とフレックススプラインＦの歯部１１の歯数との差に等しい。これによりフレックススプラインＦが、入力軸３１の回転方向と逆方向に回転する。

フレックススプラインＦに形成された複数の伝動部１２が出力プレート２１の貫通孔２３に挿通する状態で配置されているため、フレックススプラインＦの回転と等しい回転速度で出力プレート２１が回転し、この回転力が出力軸２２に伝えられることになる。

特に、フレックススプラインＦと出力プレート２１とが回転する場合に伝動部１２の位置が回転軸芯Ｘを中心とする半径方向に変位し、また、回転軸芯Ｘを中心とする周方向に不等速で変位することになるが、前述したように貫通孔２３の形状が設定されているため、複数の伝動部１２は必ず貫通孔２３の内周に接触する状態を維持する。

つまり、図３に示すように一対のローラ３４の位置関係が上下になる場合には、複数の伝動部１２のうち上側のものが上方に変位し、下側のものが下方に変位し、左右のものが回転軸芯Ｘに接近する方向に変位する。このような位置関係でも、同図に示す領域ＡにおいてはフレックススプラインＦの回転力により伝動部１２が貫通孔２３の内面に当接するため出力プレート２１に回転力が伝えられる。更に、複数の伝動部１２のうち回転力を伝えないものであっても貫通孔２３の内周面に接触するため、伝動部１２と貫通孔２３との間にアソビを作り出さず、フレックススプラインＦの回転を円滑に伝える伝動を実現するのである。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い。

（ａ）図５、図６に示すように、フレックススプラインＦの環状体１０の端部に歯部１１の歯先より外方に突出し、回転軸芯Ｘに対して直交する姿勢の複数のフランジ部１５を環状体１０と一体的に形成し、各々のフランジ部１５に対して伝動部１２を備える。

この構成ではフランジ部１５を備えることにより、伝動部１２の直径を任意に設定できるだけではなく、回転軸芯Ｘを基準にして歯部１１の歯先より外方に伝動部１２を配置することにより伝動トルクの上昇を図ることも可能となる。

（ｂ）図７に示すように、フレックススプラインＦで回転軸芯Ｘに沿う方向での一方の端部において、複数の歯部１１の一部を回転軸芯Ｘに沿う方向に延出する形態にすることで、この延出部により伝動部１２を形成する。この別実施形態（ｂ）では複数の歯部１１のうち周方向において所定間隔で伝動部１２が形成されることになり、この伝動部１２の断面が歯部１１の一部の形状を有することになる。

この構成では、例えば、複数の歯部１１を形成した後に、フレックススプラインＦの一方の端部を所定ピッチで切り欠く加工を行うことにより、断面が歯部１１の形状となる伝動部１２を形成することが可能となる。

また、この別実施形態（ｂ）では、歯部１１の形状となる伝動部１２を出力プレート２１の貫通孔２３に挿通する構成でも良いが、円滑な伝動を可能にするため、伝動部１２に対して外周面が円周状となるブッシュ１２Ａを外嵌し、このブッシュ１２Ａに対して更に回転自在に回転リング１２Ｂを外嵌している。これにより、フレックススプラインＦの回転力を伝動部１２の回転リング１２Ｂから貫通孔２３の内面に接触させ、円滑な伝動を実現する。

（ｃ）前述した別実施形態（ｂ）の回転リング１２Ｂを、断面形状が円形となる伝動部１２に回転自在に外嵌する。これと同様に、断面形状が非円形となる伝動部１２に対し、ブッシュ１２Ａを介して回転自在に回転リング１２Ｂを備える。

このように構成することにより、伝動部１２が貫通孔２３の内周面に対して直接接触する構成と比較して回転リング１２Ｂが回転するため円滑な伝動が実現する。

本発明は、波動機構の回転に伴う差動により回転する外歯歯車の回転力を出力部材に伝える波動歯車装置に利用することができる。

１２ 伝動部
１５ フランジ部
２３ 孔部（貫通孔）
Ｃ 内歯歯車（サーキュラスプライン）
Ｆ 外歯歯車（フレックススプライン）
Ｐ 出力部材
Ｗ 波動機構（ウェーブジェネレータ）
Ｘ 回転軸芯

Claims (4)

1. 所定歯数の内歯歯車と、前記所定歯数より少ない歯数で可撓性材料により円環状に形成される外歯歯車と、回転軸芯を中心に回転することにより前記外歯歯車の一部を撓め前記内歯歯車に噛み合う位置を周方向に変位させる波動機構と、前記波動機構の回転に伴う前記外歯歯車の回転力を取り出す出力部材とを備えると共に、
   前記回転軸芯に沿う方向で前記外歯歯車の端部から突出する複数の伝動部を形成し、これらの伝動部が嵌り込むように前記回転軸芯に沿う方向の孔部を前記出力部材に形成している波動歯車装置。
2. 前記孔部が、前記外歯歯車と前記出力部材とが前記回転軸芯を中心にして回転する際に、前記伝動部が前記出力部材に対して相対的に移動する移動軌跡に沿う内面形状で形成されている請求項１記載の波動歯車装置。
3. 前記回転軸芯に沿う方向での前記外歯歯車の端部に、前記回転軸芯に直交姿勢の平面を有するフランジ部を形成し、このフランジ部に対し前記伝動部を形成している請求項１又は２記載の波動歯車装置。
4. 前記伝動部が、前記外歯歯車のうち前記回転軸芯に沿う方向での一方の端部において、前記外歯の一部を回転軸芯に沿って延出することにより形成されている請求項１又は２記載の波動歯車装置。

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