WO2015118994A1

WO2015118994A1 - フラット型波動歯車装置

Info

Publication number: WO2015118994A1
Application number: PCT/JP2015/052159
Authority: WO
Inventors: 新月張
Original assignee: 株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2015-08-13
Also published as: JP2016196895A

Abstract

　フラット型波動歯車装置（１）の波動発生器（５）は、楕円状輪郭の外周面（６ａ）を備えたプラグ（６）と、外周面（６ａ）に装着されたボールベアリング（７）とを備えている。ボールベアリング（７）の外輪幅Ｗ（１０）は、外歯（４ａ）の歯幅Ｗ（４ａ）に対して、６０％から１００％の範囲内の値である。また、ボールベアリング（７）のボール中心（Ｏ（９））に、外輪（１０）の幅方向の中心および外歯（４ａ）の歯幅方向の中心が位置している。フラット型波動歯車装置において、波動発生器による外歯歯車の支持剛性を高めることができる。

Description

フラット型波動歯車装置

　本発明はフラット型波動歯車装置に関する。

　波動歯車装置としては、特許文献１、２に記載された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では、同軸状に並列配置された剛体歯車である２個の内歯歯車の内側に円筒状の可撓性歯車である外歯歯車が配置されている。外歯歯車は、その内側に装着した楕円状輪郭の波動発生器によって楕円状に撓められ、その楕円形状の長軸両端において双方の内歯歯車にかみ合っている。

　波動発生器は、一般に、楕円状輪郭の外周面を備えた剛性のプラグと、この外周面に装着したボールベアリングとから構成される。プラグによって楕円状に撓められているボールベアリングの外輪における外周面の長軸両端の部分によって、外歯歯車が半径方向の外方に押されて、内歯歯車に対するかみ合いが保持される。

特開２００８－１８０２５９号公報特開２００９－１５６４６１号公報

　波動歯車装置は、通常の剛体歯車から構成される歯車装置と比べて、波動発生器のプラグによって可撓性の外歯歯車を撓めて剛性の内歯歯車にかみ合わせていること、波動発生器の動きをスムーズな状態に保つためにボールベアリングが広く採用されていること、歯車のモジュールに対して歯幅が十分に広いこと、などの特徴を有している。

　このため、波動歯車装置の負荷容量および諸性能は、可撓性の外歯歯車と剛性の内歯歯車とのかみ合い状態に左右される。両歯車のかみ合い状態は、外歯歯車の変形形状、特に、歯幅方向の変形状態による影響を強く受ける。

　外歯歯車の歯幅方向の変形状態は、波動発生器による外歯歯車の支持状態によって決まる。カップ形状の外歯歯車を備えたカップ型波動歯車装置の場合には、両歯車のかみ合い部分にプリロードが作用するが、フラット型波動歯車装置の場合にはプリロードが作用しないので、両歯車のかみ合い状態に対する波動発生器の支持状態による影響がより顕著である。

　したがって、フラット型波動歯車装置の負荷容量および諸性能を高めるためには、波動発生器による外歯歯車の支持状態、特に、外歯歯車の歯幅方向の支持状態を改善する必要がある。

　しかしながら、従来においては、この点については着目されていない。フラット型波動歯車装置において、波動発生器による外歯歯車の支持剛性が十分でなく、ボールベアリング外輪による外歯歯車の支持状態が適切でないと、歯面荷重分布の均一化を図ることができず、外歯歯車の歯底疲労強度が低下する。また、高負荷トルク時あるいは高回転時において、ラチェティングが発生するおそれもある。波動歯車装置におけるラチェティングとは、高負荷トルクでの回転時に、内歯歯車と外歯歯車の間のかみ合い状態にある歯に滑りが発生して、相互にずれてしまい、正常なかみ合いを形成できない現象を言う。

　本発明の課題は、波動発生器によって外歯歯車を適切な状態で支持可能なフラット型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、本発明のフラット型波動歯車装置は、
　剛体歯車である第１内歯歯車と、
　前記第１内歯歯車に同軸に並列配置した剛体歯車である第２内歯歯車と、
　前記第１、第２内歯歯車の内側に配置され、前記第１、第２内歯歯車にかみ合い可能な可撓性歯車である外歯歯車と、
　前記外歯歯車の内側に装着され、当該外歯歯車を楕円状に撓めて前記第１、第２内歯歯車のそれぞれに対して部分的にかみ合わせている波動発生器と、
を有し、
　前記外歯歯車は、半径方向に撓み可能な円筒と、前記円筒の外周面に形成された外歯とを備え、
　前記波動発生器は、楕円状輪郭の外周面を備えた剛体であるプラグと、前記プラグの前記外周面に装着されて楕円状に撓められているボールベアリングとを備え、
　前記ボールベアリングの外輪の幅は、前記外歯の歯幅に対して、６０％から１００％の範囲内の値に設定されていることを特徴としている。

　従来における波動発生器のボールベアリングの場合には、外歯歯車を楕円状に撓めて内歯歯車にかみ合わせる力が、外歯歯車における歯幅方向の中央部分の狭い領域に集中している。フラット型波動歯車装置では、外歯歯車が、並列配置された２個の内歯歯車にかみ合っているので、外歯の歯幅が広い。よって、従来の波動発生器では、広幅の外歯歯車を、歯幅方向の全体において均一に支持できず、支持剛性が不足し、歯幅方向の歯面荷重分布の均一化を図ることができない。

　これに対して、本発明では、外歯歯車に直接に接触しているボールベアリングの外輪の幅を、外歯の歯幅の６０％から１００％までの範囲内の値に設定している。これにより、外歯の歯幅方向の各部分を、均一で十分な力で、内歯の側に押し付けて、確実なかみ合い状態を形成できる。この結果、外歯の歯幅方向の歯面荷重の均一化を達成でき、これにより、外歯歯車の歯底疲労強度を高めることができる。また、フラット型波動歯車装置におけるラチェティングが発生する負荷トルクを高めることも可能である。

　本発明のフラット型波動歯車装置において、前記ボールベアリングのボール中心に、前記外輪の幅方向の中心および前記外歯の歯幅方向の中心が位置していることが望ましい。

　また、本発明のフラット型波動歯車装置において、波動発生器のボールベアリングの内輪の幅を、前記外輪の幅よりも狭くし、かつ、前記プラグの外周面の幅と同一または当該プラグの外周面の幅よりも広くすることができる。

本発明を適用したフラット型波動歯車装置の概略縦断面図である。図１のフラット型波動歯車装置における各部の寸法の関係を示す説明図である。

　以下に、図面を参照して、本発明を適用したフラット型波動歯車装置の実施の形態を説明する。図１に示すように、フラット型波動歯車装置１（以下、単に、波動歯車装置１と呼ぶ。）は、同軸状に並列配置された剛体歯車である第１内歯歯車２および第２内歯歯車３と、これらの第１、第２内歯歯車２、３の内側に同軸に配置された円筒状の可撓性歯車である外歯歯車４と、この外歯歯車４の内側に装着した波動発生器５とを備えている。

　外歯歯車４は、楕円状輪郭の波動発生器５によって楕円状に撓められ、その楕円形状の長軸両端に位置する外歯４ａが、双方の第１、第２内歯歯車２、３の内歯２ａ、３ａにかみ合っている。第２内歯歯車３は外歯歯車４と同一の歯数を有している。これらの歯車３、４に対して、第１内歯歯車２は、２ｎ枚（ｎ：正の整数）だけ多い歯数、例えば２枚多い歯数を有している。

　例えば、歯数の多い第１内歯歯車２を回転しないように固定する。波動発生器５を回転すると、第１、第２内歯歯車２、３と外歯歯車４との間のかみ合い位置が円周方向に移動する。これにより、波動発生器１回転当り、歯数の多い第１内歯歯車２に対して、歯数の少ない外歯歯車４が歯数差に応じた分だけ相対回転する。この回転が、外歯歯車４と一体回転する同一歯数の第２内歯歯車３から不図示の負荷部材の側に出力される。

　波動発生器５は、楕円状輪郭の外周面６ａを備えた所定厚さの剛性のプラグ６と、この外周面６ａに装着したボールベアリング７とから構成される。ボールベアリング７の外輪１０は、楕円状の外周面６ａに嵌められて楕円状に撓められている。ベアリングボール９を挟み、楕円状に撓められているボールベアリング７の外輪１０は、その長軸両端の外周面部分によって、外歯歯車４を半径方向の外方に押している。これにより、外歯歯車４の外歯４ａと、第１、第２内歯歯車２、３の内歯２ａ、３ａとのかみ合いが保持される。

　図２は、外歯歯車４の外歯４ａおよびボールベアリング７の各部の寸法関係および位置関係を示す説明図である。外歯歯車４の外歯４ａの歯幅を歯幅Ｗ（４ａ）とし、外輪１０の中心軸線１ａの方向の幅を外輪幅Ｗ（１０）とする。本例では、外輪幅Ｗ（１０）を歯幅Ｗ（４ａ）の６０％～１００％の範囲内の値に設定してある。

　また、ベアリングボール９のボール中心Ｏ（９）に、外輪１０の幅方向の中心位置および外歯４ａの歯幅方向の中心が一致するように、これらの部位９、１０、４ａが配置されている。

　さらに、内輪８の中心軸線１ａの方向の幅を内輪幅Ｗ（８）とすると、内輪幅Ｗ（８）は外輪幅Ｗ（１０）よりも狭い。本例では、内輪幅Ｗ（８）をプラグ６の外周面６ａの幅とほぼ同一としてある。内輪幅Ｗ（８）を、外輪幅Ｗ（１０）よりも狭くし、プラグ６の外周面６ａの幅よりも広くすることも可能である。

　このように、波動歯車装置１では、波動発生器５のスムーズな動きを確保できるボールベアリング７を波動発生器ベアリングとして用いると共に、ボールベアリング７における外歯４ａの歯幅方向の支持剛性が不十分であるという弱点を克服するために、その外輪１０を広幅としている。

　従来のフラット型波動歯車装置において一般的に使用されている波動発生器のボールベアリングの外輪幅は、外歯の歯幅の５０％程度と狭く、歯幅方向の支持剛性が不十分である。また、支持剛性を高めるために、複列のボールベアリングを採用することも考えられるが、この場合には、コスト高、加工の難易度の増加、イナーシャの増加などの問題が発生する。本例では、広幅の外輪を備えた単列のボールベアリングを備えた波動発生器を用いているので、このような弊害を解消できる。

　また、波動歯車装置１では、ボールベアリング７の外輪幅Ｗ（１０）を、外歯４ａの歯幅Ｗ（４ａ）の６０％～１００％の範囲内となるように、広くしている。これにより、次の効果を得ることができる。
（１）波動発生器による歯幅方向の支持剛性が向上する。
（２）内歯に対する外歯のかみ合い状態、特に、歯幅方向の歯当りが良くなり、歯幅方向の全体に亘って有効なかみ合い状態を形成できる。
（３）外歯の歯面荷重は歯幅方向の広範囲に亘って分布するので、そのピークが下がり、歯幅方向の分布が平均化される。
（４）外歯歯車の歯元応力が緩和されて歯底強度が向上する。
（５）外歯の歯面荷重のピークが下がるので、外歯歯車の耐摩耗性が向上する。
（６）波動発生器のボールベアリングのボール荷重が低減され、ボールベアリングの寿命が向上する。
（７）両歯の歯幅方向の全体に亘ってのかみ合い状態が改善されるので、波動歯車装置の負荷容量および諸特性も良くなる。

　更に、波動歯車装置１では、ベアリングボール９のボール中心Ｏ（９）に、幅方向の中心が位置するように外輪１０を配置し、かつ、ベアリングボール９のボール中心Ｏ（９）に歯幅方向の中心が位置するように外歯４ａを配置してある。

　波動発生器５のベアリングボール９のボール中心Ｏ（９）の位置は、歯面荷重を分担する歯の歯幅方向の領域を左右する。この歯面荷重を分担する歯幅方向の領域は、歯底強度だけではなく、外歯歯車４のねじれ剛性にも影響を及ぼす。本例の波動歯車装置１によれば、歯幅方向における外歯４ａの歯面荷重の分布を均一化でき、歯底疲労強度を高めることができ、外歯４ａのねじれ剛性が上がる。

　また、外歯４ａのねじれ剛性が上がるので、両歯車のかみ合い領域において歯のねじれが少なくなり、外歯４ａと内歯２ａ、３ａとの間の歯先干渉が起こりにくくなり、ラチェティング負荷トルクも上がる。

Claims

　剛体歯車である第１内歯歯車と、
　前記第１内歯歯車に同軸に並列配置した剛体歯車である第２内歯歯車と、
　前記第１、第２内歯歯車の内側に配置され、前記第１、第２内歯歯車にかみ合い可能な可撓性歯車である外歯歯車と、
　前記外歯歯車の内側に装着され、当該外歯歯車を楕円状に撓めて前記第１、第２内歯歯車のそれぞれに対して部分的にかみ合わせている波動発生器と、
を有し、
　前記外歯歯車は、半径方向に撓み可能な円筒と、前記円筒の外周面に形成された外歯とを備え、
　前記波動発生器は、楕円状輪郭の外周面を備えた剛体であるプラグと、前記プラグの前記外周面に装着されて楕円状に撓められているボールベアリングとを備え、
　前記ボールベアリングの外輪の幅は、前記外歯の歯幅に対して、６０％から１００％の範囲内の値に設定されていることを特徴とするフラット型波動歯車装置。
　前記ボールベアリングのボール中心に、前記外輪の幅方向の中心および前記外歯の歯幅方向の中心が位置している請求項１に記載のフラット型波動歯車装置。
　前記ボールベアリングの内輪の幅は、前記外輪の幅よりも狭く、かつ、前記プラグの外周面の幅と同一あるいは当該プラグの外周面の幅よりも広い請求項２に記載のフラット型波動歯車装置。