特許 7520475 波動歯車装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-12

(45)【発行日】2024-07-23

(54)【発明の名称】波動歯車装置

(51)【国際特許分類】

   F16H 1/32 20060101AFI20240716BHJP

【ＦＩ】

F16H1/32 B

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023543535

(86)(22)【出願日】2021-08-24

(86)【国際出願番号】 JP2021031054

(87)【国際公開番号】W WO2023026377

(87)【国際公開日】2023-03-02

【審査請求日】2023-12-26

(73)【特許権者】

【識別番号】390040051

【氏名又は名称】株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ

(74)【代理人】

【識別番号】100090170

【弁理士】

【氏名又は名称】横沢 志郎

(72)【発明者】

【氏名】小林 優

【審査官】大山 広人

(56)【参考文献】

【文献】特許第６０９１７１０（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２００７－２３１９９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｈ １／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

歯数の異なる第１内歯歯車および第２内歯歯車と、
前記第１、第２内歯歯車にかみ合い可能であり、前記第２内歯歯車と歯数が同一の可撓性の外歯歯車と、
前記外歯歯車を非円形に撓めて前記第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、
を備えた波動歯車装置において、
軸線に沿って前記第１内歯歯車の側から前記第２内歯歯車の側に向かう方向を第１方向とすると、前記外歯歯車が前記第１方向に移動すると当接可能な位置に配置した摩擦面を備えた摩擦部材を有しており、
前記摩擦部材は、前記波動発生器の回転軸部に対して、一体回転し、かつ、前記軸線の方向には相対移動しないように、当該回転軸部に取り付けられ、あるいは当該回転軸部に一体形成されており、
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て前記第１、第２内歯歯車にかみ合っており、
前記摩擦部材の前記摩擦面は円環形状の端面であり、
前記摩擦面の外径は、楕円形状に撓められた前記外歯歯車における前記摩擦面に当接する側の端面の長軸外径以上であり、前記摩擦面の内径は、前記端面の短軸内径以下である波動歯車装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記波動発生器は、
非円形外周面を備えた波動発生器プラグと、
前記非円形外周面に装着された波動発生器軸受と、
を備えており、
前記波動発生器プラグには、前記回転軸部および前記摩擦部材が一体形成されている波動歯車装置。

【請求項3】

請求項１において、
前記軸線に沿って前記第２内歯歯車の側から前記第１内歯歯車の側に向かう方向を第２方向とすると、
前記外歯歯車が前記第２方向に移動すると当接可能な位置に配置した当接面を備えた規制部材を有している波動歯車装置。

【請求項4】

請求項３において、
前記外歯歯車の前記軸線の方向における許容される可動範囲を規定する前記第１方向の位置を第１位置とし、前記第２方向の位置を第２位置とし、前記第１、第２位置の中間の位置を中立位置とすると、
前記摩擦面は前記第１位置と前記中立位置の間に配置され、前記当接面は前記第２位置に配置されている波動歯車装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はパンケーキ型あるいはフラット型と呼ばれる波動歯車装置に関する。更に詳しくは、増速運転時の効率を低下させる機構が組み込まれている波動歯車装置に関する。

【背景技術】

【0002】

波動歯車装置は、減速運転時と増速運転時は内部損出トルクが同じであるので、そのトルク伝達効率は、増速時が若干低いが、減速時の効率に比例する。波動歯車装置は、運転条件によるトータル的な消費電力の低下を図るため、低い増速効率（低い逆入力時の効率）を求められる場合がある。

【0003】

本発明者は、特許文献１において、カップ型あるいはシルクハット型の波動歯車装置における入力側回転部材である波動発生器が負荷側トルクによって回転することの無いように保持するために必要な入力側保持トルクを大幅に低減可能な方法を提案している。この方法では、カップ形状あるいはシルクハット形状をした可撓性の外歯歯車を備えた波動歯車装置において、減速時および増速時において波動発生器に作用するスラスト力の方向の違いを利用して、入力側保持トルクを低減できるようにしている。波動歯車装置において、減速時に、波動発生器には減速回転出力側に向かう方向のスラスト力が作用し、増速時には、反対方向のスラスト力が作用する。この点に着目して、減速時に作用するスラスト力によって波動発生器の構成部品を移動させ、モータハウジングなどの固定部材に押し付け、これによって発生する摩擦力を利用して波動発生器が回転しないように拘束している。この結果、波動発生器あるいは、そこに連結されているモータ軸などの入力側回転軸が出力側トルク（負荷側トルク）によって回転しないように保持するために必要な入力側保持トルクを低減できる。減速時には摩擦力が発生しないので、摩擦力によって効率が低下することもない。

【0004】

波動歯車装置として、パンケーキ型あるいはフラット型と呼ばれる波動歯車装置が知られている。この形式の波動歯車装置は、２枚の内歯歯車と、これらの内側に同軸に配置した円筒形状をした可撓性の外歯歯車と、この内側に同軸に装着した波動発生器とを備えている。一方の内歯歯車は、外歯歯車と歯数が異なる固定側（静止側）歯車であり、他方の内歯歯車は、外歯歯車と歯数が同一で一体回転する出力側（駆動側）歯車である。減速運転においては、モータ等から波動発生器に高速回転が入力されると、波動発生器の回転が固定側の内歯歯車と外歯歯車の歯数差に応じて大幅に減速されて、外歯歯車が減速回転する。減速回転は、外歯歯車と一体回転する出力側の内歯歯車から負荷側に出力される。逆に、増速運転においては、出力側の内歯歯車からの入力回転が、外歯歯車と固定側の内歯歯車との間で大幅に増速されて、波動発生器から高速回転が出力される。

【0005】

パンケーキ型あるいはフラット型の波動歯車装置の外歯歯車は、カップ形状、シルクハット形状の外歯歯車とは異なり、出力軸等の部材に直接には連結されていない。減速運転、増速運転において発生するスラスト力によって、外歯歯車が軸線の方向（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。外歯歯車の軸線の方向の移動を、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が配置される。特許文献２に記載の撓みかみ合い式歯車装置（波動歯車装置）では、外歯歯車の両側に規制部材が配置され、外歯歯車の軸線の方向の移動を制限している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００７－２３１９９６号公報

【文献】特開２０１９－１０５３１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

パンケーキ型あるいはフラット型の波動歯車装置においても、運転条件によるトータル的な消費電力の低下を図るために、減速効率を低下させることなく増速効率（逆入力時の効率）のみを低下させることが望ましい。このようにすれば、出力側から大きな負荷トルクが印加されても、波動発生器あるいは、そこに連結されているモータ軸などの入力側回転軸が負荷トルク（出力側トルク）によって回転しないように保持するために必要な入力側保持トルクを小さくできる。

【0008】

本発明の目的は、運転条件によるトータル的な消費電力の低下を図るために、外歯歯車の軸線方向の移動を利用して、減速効率を低下させることなく増速効率（逆入力時の効率）のみを低下させることが可能なパンケーキ型あるいはフラット型の波動歯車装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の対象となる波動歯車装置は、パンケーキ型あるいはフラット型の波動歯車装置であり、歯数の異なる第１内歯歯車および第２内歯歯車と、これら第１、第２内歯歯車にかみ合い可能であり、第２内歯歯車と歯数が同一の可撓性の外歯歯車と、外歯歯車を非円形に撓めて第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備えている。

【0010】

本発明の波動歯車装置は、軸線に沿って第１内歯歯車の側から第２内歯歯車の側に向かう方向を第１方向とすると、第１方向に移動する外歯歯車が当接可能な摩擦面を備えた摩擦部材を有している。摩擦部材は、波動発生器の回転軸に対して、一体回転し、かつ、軸線の方向には相対移動しないように、当該回転軸部に取り付けられ、あるいは当該回転軸部に一体形成されている。

【発明の効果】

【0011】

増速運転時のスラスト力により、外歯歯車は第１方向に移動して、波動発生器の回転軸部に一体化あるいは取り付けた摩擦部材の摩擦面に押し付けられる。外歯歯車と摩擦部材との間に生じる摩擦損失によって、増速時のみトルク伝達効率を低下させることができる。よって、減速回転の出力側から大きな負荷トルクが印加されても、入力側の保持トルクを小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】本発明を適用した波動歯車装置の一例を示す概略縦断面図である。

【図1B】楕円状に撓められた外歯歯車と固定側内歯歯車との間のかみ合い状態を示す説明図である。

【図2A】波動歯車装置の減速運転時に外歯歯車が摩擦板から離れている状態を示す説明図である。

【図2B】波動歯車装置の増速運転時に外歯歯車が摩擦板に接触した状態を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１Ａ、図１Ｂに示すように、波動歯車装置１の基本構成は、一般的なパンケーキ型あるいはフラット型の波動歯車装置と同一である。波動歯車装置１は、軸線１ａの方向に同軸に並べた第１内歯歯車２および第２内歯歯車３を備えている。軸線１ａに沿って、第１内歯歯車２から第２内歯歯車３に向かう方向を第１方向ａ１、第２内歯歯車３から第１内歯歯車２に向かう方向を第２方向ａ２とする。第１、第２内歯歯車２、３の内側には、円筒形状をした可撓性の外歯歯車４が同軸に配置されている。外歯歯車４は半径方向に撓み可能であり、その外歯４ａは、第１内歯歯車２の第１内歯２ａおよび第２内歯歯車３の第２内歯３ａの双方にかみ合い可能である。外歯歯車４の内側には、波動発生器５が同軸に装着されている。波動発生器５は、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。本例では、波動発生器５は楕円状の輪郭をしており、外歯歯車４を楕円形状に撓めて、楕円形状の長軸Ｌｍａｘの両端部分に位置している外歯歯車４の外歯４ａを、第１内歯歯車２の第１内歯２ａおよび第２内歯歯車３の第２内歯３ａにそれぞれかみ合わせている。

【0014】

第１内歯歯車２は固定側（あるいは静止側）の内歯歯車であり、装置ハウジングなどの不図示の固定側部材に固定される。第１内歯歯車２の歯数は外歯歯車４の歯数とは相違する。本例では、第１内歯歯車２の歯数は、外歯歯車４の歯数よりも２ｎ枚多い（ｎは正の整数）。通常は２枚多い。これに対して、第２内歯歯車３は減速回転の出力側（駆動側）の内歯歯車であり、その歯数は外歯歯車４の歯数と同一である。

【0015】

固定側の第１内歯歯車２と出力側の第２内歯歯車３は、主軸受６（クロスローラベアリング）によって相対回転自在に支持されている。主軸受６は外輪分割型の軸受であり、外輪分割片６ａ、６ｂと、内輪６ｃと、これらの間に装着された複数個のローラ６ｄとを備えている。第１内歯歯車２の側に位置する外輪分割片６ａは、第１内歯歯車２に一体形成されており、内輪６ｃは第２内歯歯車３に一体形成されている。さらに、第１内歯歯車２には、円環形状をしたエンドプレート７も一体形成されている。第２内歯歯車３には、内輪６ｃと共に、円環形状をした減速回転の出力軸８が一体形成されている。

【0016】

波動発生器５は、モータ等から回転が入力される中空の回転軸部５ａと、この回転軸部５ａの外周面に一体形成した楕円形輪郭の波動発生器プラグ５ｂと、波動発生器プラグ５ｂの楕円状外周面５ｃに装着した波動発生器軸受５ｄとを備えている。回転軸部５ａにおける第２方向ａ２の側の軸端部は、軸受９を介して、エンドプレート７によって回転自在に支持されている。回転軸部５ａの反対側の軸端部は、軸受１０を介して、出力軸８によって回転自在に支持されている。

【0017】

ここで、外歯歯車４における第２方向ａ２の側の端面を入力側端面４ｂと呼び、第１方向ａ１の側の端面を出力側端面４ｃと呼ぶものとする。外歯歯車４の入力側端面４ｂは、エンドプレート７の円環状の内側端面７ａに対して所定の間隔で対峙している。内側端面７ａは軸線１ａに直交する面である。これに対して、外歯歯車４の出力側端面４ｃは、波動発生器５の回転軸部５ａに一体形成した摩擦板１１（摩擦部材）の摩擦面１１ａに対して所定の間隔で対峙している。

【0018】

外歯歯車４の軸線１ａの方向における許容される可動範囲を可動範囲Ｓとする。可動範囲Ｓを超えて外歯歯車４が移動すると、第１、第２内歯歯車２、３との適切なかみ合い状態を維持できない。可動範囲Ｓは第１方向ａ１の第１位置Ｓ１から第２方向ａ２の第２位置Ｓ２までの範囲である。外歯歯車４は、初期位置において、その歯筋方向の中心が、第１、第２位置Ｓ１、Ｓ２の中間の位置である中立位置Ｓ０にある。中立位置Ｓ０は、通常は波動発生器軸受５ｄの支持中心（ボール中心）である。摩擦板１１の摩擦面１１ａは、第１位置Ｓ１よりも中立位置Ｓ０の側の位置Ｓ３に配置されている。これに対して、エンドプレート７の内側端面７ａは、第２位置Ｓ２に配置されている。

【0019】

摩擦板１１は、回転軸部５ａの外周面から半径方向の外方に広がる円盤状の板であり、その一方の端面に形成されている摩擦面１１ａは、外歯歯車４の出力側端面４ｃを包含する大きさの面である。具体的には、摩擦面１１ａの外径は、楕円状に撓められる外歯歯車４の出力側端面４ｃの長軸Ｌｍａｘの外径以上であり、その内径は、出力側端面４ｃの短軸Ｌｍｉｎの内径以下である。摩擦板１１の材質は、外歯歯車４の材質（鋼、ステンレススチール、アルミニウム合金、樹脂等）にもよるが、摩耗、放熱、強度等を考慮して選択される。また、摩擦面１１ａには、種々の表面改質が施されていてもよい。

【0020】

本例では、波動発生器５の回転軸部５ａに摩擦板１１を一体形成して、摩擦板１１が回転軸部５ａに対して軸線１ａの方向に相対移動せず、かつ、回転軸部５ａと一体回転するようになっている。摩擦板１１を波動発生器５の回転軸部５ａとは別部品とし、摩擦板１１を回転軸部５ａあるいは波動発生器プラグ５ｂに対して、軸線１ａの方向に相対移動せず、かつ、一体回転するように、取り付けてもよい。

【0021】

図２Ａ、２Ｂは波動歯車装置１の減速時及び増速時における外歯歯車４の軸線１ａの方向の動きを示す説明図である。

【0022】

波動発生器５にモータ等から回転が入力される減速運転においては、固定側の第１内歯歯車２と外歯歯車４の歯数差に応じて大幅に減速された回転が外歯歯車４に発生する。図２Ａに示すように、減速運転においては、外歯歯車４には、矢印で示すように、軸線１ａに沿って第２方向ａ２（減速回転の入力側）に向かうスラスト力Ｆ２が作用し、外歯歯車４は第２方向ａ２に移動する。外歯歯車４の移動は、その入力側端面４ｂがエンドプレート７の内側端面７ａに当接することで制限される。内側端面７ａは、摩擦板１１の摩擦面１１ａとは異なり、摩擦抵抗が小さい平滑面等であり、外歯歯車４と内側端面７ａとの接触に起因する摩擦損失は実質的に無視できる。外歯歯車４の他方の出力側端面４ｃは、摩擦板１１の摩擦面１１ａから離れる方向に移動し、摩擦面１１ａとの間の隙間が広がる。外歯歯車４が摩擦板１１と摩擦接触して、摩擦損失が発生することはない。

【0023】

逆に、増速運転においては、出力軸８の側から回転が入力され、増速された回転が波動発生器５から出力される。増速運転においては、図２Ｂにおいて矢印で示すように、外歯歯車４には、軸線１ａに沿って第１方向ａ１（減速回転の出力側）に向かうスラスト力Ｆ１が作用し、外歯歯車４は第１方向ａ１に移動する。外歯歯車４の出力側端面４ｃは、可動範囲Ｓの端の第２位置Ｓ２に至る前に、摩擦板１１の摩擦面１１ａに当接する。外歯歯車４の移動が制限され、外歯歯車４が摩擦面１１ａに押し付けられた状態になる。外歯歯車４と摩擦板１１との間の摺動摩擦によって生じる摩擦損失により、増速時のトルク伝達効率の低下を図ることができる。なお、外歯歯車４の他方の入力側端面４ｂは、エンドプレート７の側の内側端面７ａからは離れている。

【0024】

増速運転時のスラスト力Ｆ１により、外歯歯車４の出力側端面４ｃが、波動発生器５の回転軸部５ａと一体化した摩擦板１１に接触することによる摩擦損失によって、増速時のみトルク伝達効率が低下する。これにより、出力側から大きな負荷トルクが印加されても、入力側の保持トルクを小さくすることが出来る。すなわち、波動発生器５あるいは、そこに連結されているモータ軸などの入力側回転軸が出力側トルク（負荷側トルク）によって回転しないように保持するために必要な入力側保持トルクを低減できる。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】