JP6550093B2 - ハーモニック駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハーモニック駆動技術に関し、より詳しくは、フレキシブルスプライン（Flexspline）のカップ状領域に貫通孔が設けられるハーモニック駆動装置に関する。

ハーモニック駆動装置は機械駆動変速機構であり、一般的な歯車による駆動と比べ、軽量で体積が小さいという特徴を有する。ハーモニック駆動装置の駆動比の範囲は大きく（一段駆動比は６０〜３２０であり、多段駆動比は１６００〜１０００００に達する）、駆動効率が高く、駆動精度も高く、負荷能力も高い等の特徴があり、各工業分野で広く使用されている。一般的には、ハーモニック駆動装置は高い減速比が必要な応用分野に多く応用される。

また、ハーモニック駆動装置の構造は、主に波発生器と、フレキシブルスプラインと、サーキュラ・スプラインとを備える。波発生器は楕円形を呈し、長軸及び短軸を有し、波発生器は通常入力軸に連結される。フレキシブルスプラインは薄い筒状として形成されると共に可撓性の本体を有し、本体の外囲には外歯車が設置され、本体及び底部が一体成形され、フレキシブルスプラインがカップ状構造の外形を呈し、前記底部は通常出力軸に連結される。サーキュラ・スプラインは内歯車を有し、波発生器はフレキシブルスプライン内に貫設され、フレキシブルスプラインはサーキュラ・スプライン内に貫設され、フレキシブルスプラインの外歯車がサーキュラ・スプラインの内歯車に部分的に噛合される。

ところが、従来のフレキシブルスプラインの本体の断面は不均等な厚さに設計され（図１１参照）、フレキシブルスプライン９０の本体９１は外歯車９３から底部９２まで延伸される厚さが第一厚さＴ１から第二厚さＴ２に縮減される。例えば、第一厚さＴ１が０．４ミリメートルである場合、第二厚さＴ２は０．３ミリメートルとなる。ハーモニック駆動装置は極めて精密な機械駆動変速機構であり、従来は厚さが不均一な設計となっているため、加工製造が難しく、安定的に製造できず、出力軸の動力の伝達に影響が及んだ。また、従来のフレキシブルスプライン９０の本体９１は閉じたカップ状に設計されているため、放熱効果が低く、且つ温度が上昇すると幾何学的大きさに変異が生じた。

そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に到った。

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、ハーモニック駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るハーモニック駆動装置の特徴は、
波発生器と、内歯車を有するサーキュラ・スプラインと、外歯車を有し、本体及び底部でカップ状領域が構成され、前記カップ状領域には複数の貫通孔が設けられるフレキシブルスプラインとを備える。

また、他の実施形態において、本発明に係るハーモニック駆動装置の特徴は、
波発生器と、内歯車を有するサーキュラ・スプラインと、外歯車を有し、本体及び底部でカップ状領域が構成され、前記カップ状領域には複数の貫通孔が設けられるフレキシブルスプラインと、前記波発生器に連結される第一駆動軸と、
前記フレキシブルスプラインの前記底部に連結される第二駆動軸であって、前記サーキュラ・スプラインは１つの位置に固設され、前記第一駆動軸及び前記第二駆動軸の内の１つは入力軸であり、もう１つは出力軸である。

本発明のハーモニック駆動装置によれば、弾性により剛性が調整され、振動や騒音が打ち消され、フレキシブルスプラインの応力の分布が不均等であるという問題を解決させる。

本発明の好ましい実施形態によるハーモニック駆動装置を示す分解の概略図である。 本発明の好ましい実施形態によるハーモニック駆動装置を示す断面構成の概略図である。 本発明の好ましい実施形態のフレキシブルスプラインを示す一部の断面構成の概略図である。 本発明の一実施形態のフレキシブルスプラインの貫通孔を示す概略図である。 本発明の他の実施形態のフレキシブルスプラインの貫通孔を示す概略図である。 本発明の一実施形態の異なる円弧状歯車を示す概略図である。 本発明の一実施形態の異なる円弧状歯車を示す概略図である。 本発明の一実施形態のフレキシブルスプラインと従来のフレキシブルスプラインのねじり剛性曲線を示す比較図である。 本発明の一実施形態のフレキシブルスプラインと従来のフレキシブルスプラインのねじり剛性曲線を示す比較図である。 本発明の一実施形態のフレキシブルスプラインと従来のフレキシブルスプラインのねじり剛性曲線を示す比較図である。 従来のフレキシブルスプラインを示す一部の断面構成の概略図である。

以下、図面を参照して本発明に係るハーモニック駆動装置の実施形態について説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
〈実施形態〉

まず、図１〜１０を参照しながら、本発明の実施形態をさらに詳しく説明する。図１及び図２は本発明の好ましい実施形態によるハーモニック駆動装置を示す概略図である。波発生器（Wave Generator）１０と、サーキュラ・スプライン（Circular Spline）２０と、フレキシブルスプライン（Flexspline）３０とを備える。

波発生器１０はカム１１及び軸受モジュール１２で構成される（図１及び図２参照）。好ましい実施形態において、カム１１は楕円形カムである。軸受モジュール１２は軸受外輪１３と、軸受内輪１４と、軸受ボール１５とを備える。軸受内輪１４はカム１１の外囲に装設され、軸受ボール１５は軸受内輪１４の外囲に装設され、軸受外輪１３は軸受ボール１５の外囲に装設される。本実施形態において、軸受外輪１３及び軸受内輪１４は装設前は円形を呈し、装設されてカム１１に結合された後にはカムにより楕円形を呈し、軸受外輪１３及び軸受内輪１４が受力して変形することによりカム１１の輪郭に適合する楕円形が形成され、波発生器１０が楕円形を呈する。

図１及び図２に示すように、サーキュラ・スプライン２０は円形環状を呈し、内歯車２１を有し、インボリュートの歯形または円弧状の歯であり、本実施形態において、内歯車２１の歯形は円弧状の歯である。サーキュラ・スプライン２０は１つの位置に固設され、例えば、機械装置や動力装置のフレーム上に設置される。波発生器１０には第一駆動軸４０が連結され、フレキシブルスプライン３０は第二駆動軸５０に連結される。ある実施形態において、第一駆動軸４０が入力軸である場合、第二駆動軸５０は出力軸であり、他の実施形態において、第一駆動軸４０が出力軸である場合、第二駆動軸５０は入力軸である。

なお、図１、図２及び図３に示すように、フレキシブルスプライン３０は薄い円筒形として形成されると共に可撓性の本体３１及び底部３２で構成されるカップ状領域を有する。本体３１の軸方向上には対応し合う第一端部３１１及び第二端部３１２を有し、本体３１の第一端部３１１は同じ本体厚さＴ３を有し、前記本体厚さＴ３は第一端部３１１から第二端部３１２まで均等に延伸され、前記第二端部３１２の厚さは第一端部厚さＴ３より厚い。本体３１の第一端部３１１は底部３２の辺縁に連接され、本体３１の第二端部３１２の外囲には外歯車３３が設置され、外歯車３１３はインボリュートの歯形または円弧状の歯であり、本実施形態において、外歯車３３の歯形は円弧状の歯である。外歯車３３の歯数は内歯車２１の歯数とは相違し、内歯車２１の歯数は外歯車３３の歯数より多い偶数の歯数であり、例えば２つである。

また、フレキシブルスプライン３０には複数の貫通孔３４が設けられ、貫通孔３４の大きさ、形状、設置態様に制限はない。本実施形態において、前記複数の貫通孔３４はカップ状領域の本体３１に設置されると共にフレキシブルスプライン３０の周囲を１周巻回させる。本実施形態において、貫通孔３４は複数の円形孔であるが、矩形や他の形状でもよく、設置される位置として本体３１及び底部３２を含む。

図４に示すように、フレキシブルスプライン３０Ａは本体３１Ａ及び底部３２Ａでカップ状領域が構成され、本体３１Ａの外囲には外歯車３３Ａが設置される。本実施形態の貫通孔３４Ａはカップ状領域の本体３１Ａに設置されると共にフレキシブルスプライン３０Ａの周囲を巻回させる。本実施形態による貫通孔３４Ａは２周巻回させると共に交錯するように設置される複数の円形孔である。

さらに、フレキシブルスプライン３０Ｂは本体３１Ｂ及び底部３２Ｂでカップ状領域が構成され（図５参照）、本体３１Ｂの外囲には外歯車３３Ｂが設置される。本実施形態の貫通孔３４Ｂは本体３１Ｂと底部３２Ｂとの連接箇所に設置されると共に範囲として本体３１Ｂ及び底部３２Ｂを含む矩形である。

図１及び図２に示すように、フレキシブルスプライン３０はサーキュラ・スプライン２０内に貫設され、波発生器１０はフレキシブルスプライン３０の第二端部３１２内に設置され、波発生器１０が円形を呈するため、フレキシブルスプライン３０の第二端部３１２が変形し、フレキシブルスプライン３０の第二端部３１２が楕円形を呈し、楕円形の長軸部位に位置される外歯車３３が対応する位置の内歯車２１に噛合され、楕円形の短軸部位に位置される外歯車３３が対応する位置の内歯車２１から分離される。すなわち、外歯車３３が部分の内歯車２１に噛合される。内歯車２１及び外歯車３３の歯形及び大きさに制限はない。

図６及び図７を参照し、図６によれば、内歯車２１及び外歯車３３は円弧状の歯形を有し、図７によれば、内歯車２１Ｃ及び外歯車３３Ｃも同様に円弧状の歯形を有する。本実施形態において、円弧状の歯の上面には平面を有する。円弧状の歯の形状及び大きさは需要に応じて決定され、且つ図６及び図７に示す態様のものに限定されない。

図１乃至図３に示すように、第一駆動軸４０により波発生器１０が駆動されて回転すると、波発生器１０がフレキシブルスプライン３０を駆動させて回転させ、本体３１が可撓性を有するため、本体３１の外形が持続的に変形し、異なる位置の外歯車３３が持続的に内歯車２１に噛合される。この動作原理は、内歯車２１の歯数が外歯車３３の歯数より多いため、波発生器１０が３６０度回転すると、フレキシブルスプライン３０が逆方向に歯数の差の分移動する。例えば、内歯車２１が外歯車３３より２つ多く、波発生器１０が時計回りに１８０度回転する場合、フレキシブルスプライン３０が反時計回りに歯１つ分移動する。波発生器１０が時計回りに３６０度回転する場合、フレキシブルスプライン３０が反時計回りに歯２つ分移動する。このため、フレキシブルスプライン３０に連結される第二駆動軸５０の回転速度が第一駆動軸４０の回転速度より遅くなる。本体３１及び底部３２は互いに独立した部材であるため、波発生器１０が回転してカム１１によりフレキシブルスプライン３０が駆動されて回転すると、波発生器１０により本体３１の外歯車３３が真っ直ぐに内歯車２１に向けて押され、外歯車３３及び内歯車２１がスムーズに噛合され、外歯車３３が歪まなくなる。また、本実施形態において、内歯車２１及び外歯車３３は共に円弧状の歯であるため、内歯車２１の一部に応力が集中せず、外歯車３３及び内歯車２１が平均的に受力させる。これにより、外歯車３３の損耗が回避され、ハーモニック駆動装置の耐用年数が延びる。ちなみに、いわゆる円弧状の歯とは、歯形の輪郭（tooth profile）が円形で構成されるものをいう。

カップ状領域の本体３１には貫通孔３４が設けられると共に均等な厚さを有することにより、加工の難度が下がり、安定的に製造可能になる。本体３１が従来のフレキシブルスプラインと同程度のねじり剛性を達成させ、且つ構造が受力した際の応力が均等に分布され、耐用年数が延びる。また、貫通孔３４を有する設計により作動中の放熱効果が高まり、温度の上昇による幾何学的大きさの変異の影響が減少する。図８Ａ乃至図１０Ｂには、それぞれ均等に分布される円形孔、交錯する円形孔、底端の切り欠き溝の３種類の設計を図示して実施形態を説明する。先行技術によるフレキシブルスプラインの設計と比べ、定格トルク（67Nm）の条件下でのねじり剛性を比較すると、弾性により剛性が調整される効果が証明された。

図８Ｂ、９Ｂ及び図１０Ｂに示すように、曲線Ｌ０１、Ｌ０２、Ｌ０３は全て従来のフレキシブルスプライン９０を示し、図１１を例にすると、本体９１の直径は６０ｍｍ（ミリメートル）であり、本体９１の内部には３０ｍｍ（ミリメートル）の深さを有し、第一厚さＴ１は０．４ｍｍ（ミリメートル）であり、第二厚さＴ２は０．３ｍｍ（ミリメートル）である。ねじり剛性は４．２７（x10⁴ Nm/rad）である。

ねじり剛性の測定は、波発生器及びサーキュラ・スプラインを固定させ、フレキシブルスプラインにトルクをかけ、入力トルク及びねじれ角度を測定し、ねじり剛性を計算する。その計算式は以下の通りである。
ねじり剛性＝フレキシブルスプラインのトルク／フレキシブルスプラインのねじれ角度

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、図８Ａに示す実施形態は図１の実施形態を基礎とし、フレキシブルスプライン３０は可撓性を有する本体３１及び底部３２でカップ状領域が構成され、本体３１の外囲には外歯車３３が設置され、カップ状領域の本体３１にはフレキシブルスプライン３０の周囲を１周巻回させる貫通孔３４が設けられ、本実施形態の貫通孔３４は複数の円形孔態様である。本体３１の直径は６０ｍｍ（ミリメートル）であり、本体３１は均等な厚さ０．７ｍｍ（ミリメートル）を有し、本体３１の内部には３０ｍｍ（ミリメートル）の深さを有し、貫通孔３４の直径は１０ｍｍ（ミリメートル）である。図８Ｂは本実施形態と従来のフレキシブルスプラインのねじり剛性曲線を示す比較図である。Ｌ１１は図８Ａの構造に８個の貫通孔３４が設けられる実施形態を図示し、ねじり剛性は４．３４（x10⁴ Nm/rad）である。Ｌ１２は図８Ａの構造に１６個の貫通孔３４が設けられる実施形態を図示し、ねじり剛性は３．２３（x10⁴ Nm/rad）である。図８Ｂは８個の貫通孔３４が設けられるフレキシブルスプライン３０（曲線Ｌ１１）のねじり剛性４．３４（x１０４ Nm/rad）及び従来のフレキシブルスプラインのねじり剛性４．２７（x１０４ Nm/rad）が近似することを示す。

図９Ａ及び図９Ｂに示すように、図９Ａに示す実施形態は図４の実施形態を基礎とし、フレキシブルスプライン３０Ａは可撓性を有する本体３１Ａ及び底部３２Ａでカップ状領域が構成され、本体３１Ａの外囲には外歯車３３Ａが設置され、カップ状領域の本体３１Ａにはフレキシブルスプライン３０Ａの周囲を巻回させ、本実施形態では交錯するように設置される２周巻回させる複数の円形孔態様の貫通孔３４Ａが設けられる。本体３１Ａの直径は６０ｍｍ（ミリメートル）であり、本体３１は０．７ｍｍ（ミリメートル）の均等な厚さを有し、本体３１Ａの内部には３０ｍｍ（ミリメートル）の深さを有し、貫通孔３４Ａの直径は６ｍｍ（ミリメートル）である。図９Ｂは本実施形態と従来のフレキシブルスプラインのねじり剛性曲線を示す比較図である。L２１は図９Ａの構造に１６個の貫通孔３４Ａが設けられる実施形態を図示し、ねじり剛性は４．５７（x10⁴ Nm/rad）である。L２２は図９Ａの構造に３２個の貫通孔３４Ａが設けられる実施形態を図示し、ねじり剛性は４．３６（x10⁴ Nm/rad）である。図９Ｂは１６個または３２個の貫通孔３４Ａが設けられるフレキシブルスプライン３０Ａのねじり剛性４．５７、４．３６（x10⁴ Nm/rad）及び従来のフレキシブルスプラインのねじり剛性４．２７（x10⁴ Nm/rad）が近似することを示し、特に１６個の貫通孔３４Ａが設けられる場合の効果が高い。

なお、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、図１０Ａに示す実施形態は図５の実施形態を基礎とし、フレキシブルスプライン３０Ｂは可撓性を有する本体３１Ｂ及び底部３２Ｂでカップ状領域が構成され、本体３１Ｂの外囲には外歯車３３Ｂが設置され、本体３１Ｂと底部３２Ｂとの連接箇所には矩形の複数の貫通孔３４Ｂが設けられると共に範囲として本体３１Ｂ及び底部３２Ｂを含む。本体３１Ｂの直径は６０ｍｍ（ミリメートル）であり、本体３１Ｂは０．７ｍｍ（ミリメートル）の均等の厚さを有し、本体３１Ｂの内部には３０ｍｍ（ミリメートル）の深さを有し、貫通孔３４Ｂは本体３１Ｂ及び底部３２Ｂの深さＷ１、Ｗ２を含み、深さＷ１、Ｗ２はそれぞれ５ｍｍ（ミリメートル）であり、貫通孔３４Ｂは５ｍｍ（ミリメートル）の広さＷ３を有する。図１０Ｂは本実施形態と従来のフレキシブルスプラインのねじり剛性曲線を示す比較図である。Ｌ３１は図１０Ａの構造に８個の貫通孔３４Ｂが設けられる実施形態を図示し、ねじり剛性は４．４（x10⁴ Nm/rad）である。Ｌ３２は図１０Ａの構造に１６個の貫通孔３４Ｂが設けられる実施形態を図示し、ねじり剛性は３．６２（x10⁴ Nm/rad）である。図１０Ｂは８個の貫通孔３４Ｂが設けられるフレキシブルスプライン３０Ｂ（曲線Ｌ３１）のねじり剛性４．４（ x10⁴ Nm/rad ）及び従来のフレキシブルスプラインのねじり剛性４．２７（ x10⁴ Nm/rad ）が近似することを示す。

上述したように、本発明のハーモニック駆動装置は、フレキシブルスプラインのカップ状領域に複数の貫通孔が設けられると共に本体は均等の厚さを有し、これにより弾性による剛性の調整を達成させ、振動及び騒音が打ち消され、フレキシブルスプラインの応力の分布が不均一になるという問題を解決させる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１０ 波発生器
１１ カム
１２ 軸受モジュール
１３ 軸受外輪
１４ 軸受内輪
１５ 軸受ボール
２０ サーキュラ・スプライン
２１ 内歯車
２１Ｃ 内歯車
３０ フレキシブルスプライン
３０Ａ フレキシブルスプライン
３０Ｂ フレキシブルスプライン
３１ 本体
３１Ａ 本体
３１Ｂ 本体
３１１ 第一端部
３１２ 第二端部
３２ 底部
３２Ａ 底部
３２Ｂ 底部
３３ 外歯車
３３Ａ 外歯車
３３Ｂ 外歯車
３３Ｃ 外歯車
３４ 貫通孔
３４Ａ 貫通孔
３４Ｂ 貫通孔
４０ 第一駆動軸
５０ 第二駆動軸
Ｌ０１ ねじり剛性曲線
Ｌ０２ ねじり剛性曲線
Ｌ０３ ねじり剛性曲線
Ｌ１１ ねじり剛性曲線
Ｌ１２ ねじり剛性曲線
Ｌ２１ ねじり剛性曲線
Ｌ２２ ねじり剛性曲線
Ｌ３１ ねじり剛性曲線
Ｌ３２ ねじり剛性曲線
Ｔ３ 本体厚さ
Ｗ１ 深さ
Ｗ２ 深さ
Ｗ３ 広さ

Claims (14)

1. 波発生器と、
   内歯車を有するサーキュラ・スプラインと、
   外歯車を有し、本体及び底部でカップ状領域が構成され、前記カップ状領域には複数の貫通孔が設けられるフレキシブルスプラインと、
   を備え、
   前記複数の貫通孔は、前記カップ状領域に設置されると共に前記フレキシブルスプラインを複数回巻回させて交錯するように設置されることを特徴とする、
   ハーモニック駆動装置。
2. 前記貫通孔は、円形孔であることを特徴とする、
   請求項１に記載のハーモニック駆動装置。
3. 波発生器と、
   内歯車を有するサーキュラ・スプラインと、
   外歯車を有し、本体及び底部でカップ状領域が構成され、前記カップ状領域には複数の貫通孔が設けられるフレキシブルスプラインと、
   を備え、
   前記複数の貫通孔は、前記本体と前記底部との連接箇所に設置されると共に範囲として前記本体及び前記底部を含むことを特徴とする、
   ハーモニック駆動装置。
4. 前記貫通孔は、矩形であることを特徴とする、
   請求項３に記載のハーモニック駆動装置。
5. 前記本体及び前記底部は可撓性材質であり、
   前記本体は対応し合う第一端部及び第二端部を有し、
   前記第一端部は前記底部に連接され、
   前記本体の前記第二端部の外囲には前記外歯車が設置されることを特徴とする、
   請求項１に記載のハーモニック駆動装置。
6. 前記第一端部は、同じ本体厚さを有することを特徴とする、
   請求項５に記載のハーモニック駆動装置。
7. 前記本体厚さは、前記第一端部から前記第二端部まで均等に延伸されることを特徴とする、
   請求項６に記載のハーモニック駆動装置。
8. 波発生器と、
   内歯車を有するサーキュラ・スプラインと、
   外歯車を有し、本体及び底部でカップ状領域が構成され、前記カップ状領域には複数の貫通孔が設けられるフレキシブルスプラインと、
   前記波発生器に連結される第一駆動軸と、
   前記フレキシブルスプラインの前記底部に連結される第二駆動軸と、
   を備え、
   前記サーキュラ・スプラインは１つの位置に固設され、
   前記第一駆動軸及び前記第二駆動軸の内の１つは入力軸であり、もう１つは出力軸であり、
   前記複数の貫通孔は、前記カップ状領域に設置されると共に前記フレキシブルスプラインを複数回巻回させて交錯するように設置されることを特徴とする、
   ハーモニック駆動装置。
9. 前記貫通孔は、円形孔であることを特徴とする、
   請求項８に記載のハーモニック駆動装置。
10. 波発生器と、
    内歯車を有するサーキュラ・スプラインと、
    外歯車を有し、本体及び底部でカップ状領域が構成され、前記カップ状領域には複数の貫通孔が設けられるフレキシブルスプラインと、
    前記波発生器に連結される第一駆動軸と、
    前記フレキシブルスプラインの前記底部に連結される第二駆動軸と、
    を備え、
    前記サーキュラ・スプラインは１つの位置に固設され、
    前記第一駆動軸及び前記第二駆動軸の内の１つは入力軸であり、もう１つは出力軸であり、
    前記複数の貫通孔は、前記本体と前記底部との連接箇所に設置されると共に範囲として前記本体及び前記底部を含むことを特徴とする、
    ハーモニック駆動装置。
11. 前記貫通孔は、矩形であることを特徴とする、
    請求項１０に記載のハーモニック駆動装置。
12. 前記本体及び前記底部は可撓性材質であり、
    前記本体は対応し合う第一端部及び第二端部を有し、
    前記第一端部は前記底部に連接され、
    前記本体の前記第二端部の外囲には前記外歯車が設置され、
    前記本体は本体厚さを有し、
    前記本体厚さは前記第一端部から前記第二端部まで均等に延伸されることを特徴とする、
    請求項８に記載のハーモニック駆動装置。
13. 前記第一端部は、同じ前記本体厚さを有することを特徴とする、
    請求項１２に記載のハーモニック駆動装置。
14. 前記本体厚さは、前記第一端部から前記第二端部まで均等に延伸されることを特徴とする、
    請求項１３に記載のハーモニック駆動装置。

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