JPH0621611B2

JPH0621611B2 - 歯車装置

Info

Publication number: JPH0621611B2
Application number: JP63506211A
Authority: JP
Inventors: アンツティミカエルポロ
Original assignee: Innoke Oy
Current assignee: Innoke Oy
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1994-03-23
Anticipated expiration: 2009-03-23
Also published as: NO170357C; RU1836593C; US5016491A; EP0381677A1; FI92349C; DE3879503D1; FI92349B; FI873139A0; NO170357B; FI873139A7; JPH03505903A; WO1989000651A1; NO900209D0; FI895876A0; EP0381677B1; NO900209L; DE3879503T2

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景本発明は、２個の波動歯車を備えた歯車装置に関する。
この明細書では、このような波動歯車装置を、以後、複
式波動歯車伝動装置と呼ぶが、これは、本発明による歯
車装置にモータを接続すると、コンパクトな歯車モータ
機構を得ることができる。このようなコンパクトな歯車
モータ機構の１つの効果的な用途は、高ねじりモーメン
トで、低回転速度で、取付けスペースがわずかしかな
く、軽量で、動力装置からすぐれた位置精度を必要とす
るようなメカニズムに使用することである。このような
装置の例は、工業用ロボツトの可動結合部の駆動機構で
ある。

いくつかの公知モータのタイプにおいて、最大動力は、
負荷を動かすのに必要とされるものよりもっと高速の回
転速度で回転するモータから得ている。従って、モータ
から得られる最大動力が、低い回転速度で高ねじりモー
メントとして利用できるように、モータと負荷との間
に、減速歯車を設ける必要がある。周知のように、波動
歯車は、減速比が大きいにも拘らず、歯車の占めるスペ
ースはわずかで、性能もすぐれている。

波動歯車の原理は、１９５９年９月２９日付で特許され
たムツサーの米国特許第２９０６１４３号に開示されて
おり、複式波動歯車の原理は、１９６０年６月５日付で
特許されたムツサーの米国特許２９４３５１３号に示さ
れている。

発明の開示本発明によれは、２個の複式波動歯車は、１次モーメン
トが、例えば歯車間に設けた外側環状１次側軸を介して
歯車装置に加えられるように、並列に組合せられて、歯
車装置の２次側がスリーブ形状になることができるよう
になっている。モータの回転子は、環状に形成してよい
が、直接、１次側軸として使用できる。本発明は、例え
ばブラシレス直流モータやステツプモータのような種々
の型の電気モータに応用でき、また、例えば空気モータ
のような他の型のモータにも応用できる。本発明による
歯車装置のモーメント伝達能力は、非常に高いので、そ
の形状のコンパクトさやその伝達比の範囲（約２５〜１
００：１）から、環状モータの減速歯車として使用する
のに最適で、必要とされるスペースを著しく増大するこ
ともない。この歯車装置はまた、事実上クリアランス
（歯車のバツクラツシユ）なしで構成することができ、
その直径や、ひいてはモーメント伝達能力は、コンパク
トな構造を保持しながら、幅広い範囲内で変更可能であ
る。また、所望であれば、１次モーメントを、歯車装置
に、他の方法で、例えば、別の駆動軸を介して外部リン
グへ、又は可撓性スプラインの内側に設けた軸受を介し
て、加えることができる。

図面の簡単な説明次に、本発明とその好ましい実施例について、添付図面
に示した実施例を参照しながら詳述する。

第１図は、本発明に従った歯車装置の縦方向部分断面図
を示し、第２図は、前図の端面図を示し、第３図は、ブラシレス直流モータがモータとして取付け
られた、歯車装置の縦方向部分断面図であり、第４図は、第３図のモータの線Ａ−Ａにおける断面図で
あり、第５図は、第３図の歯車装置で可撓性スプラインを楕円
形にする磁気回路を示し、第６図は、歯車装置の作動時に、本発明の歯車装置が行
なう動作の縮小端面図であり、第７図は、歯車装置に負荷がかかっている時、複式波動
歯車内の歯車装置の可撓性スプラインにかかる接線応力
の分布を示す端面図である。

発明を実施するための最良の形態第１図および第２図に、歯車装置の全体構造を示す。図
示のように、この歯車装置は、可撓性スプライン２を共
有する複式波動歯車１ａおよび１ｂで構成できる。この
可撓性スプライン２は、一端に、波動歯車１ａの構成要
素とし作用し第１歯車部材の周囲に設けた歯４ａと噛み
合う外歯３ａと、第２歯車部材の外歯、すなわち軸状歯
(shaft teeth)６ａと噛み合う内歯５ａとを備える。こ
れに対応して、波動歯車１ｂは、可撓性スプライン２の
他端の外側に形成した歯３ｂであって、第１歯車部材の
周囲歯４ｂと噛み合う歯と、第２歯車部材に設けた軸状
歯６ｂと噛み合う内歯５ｂとからなる。可撓性スプライ
ン２は、波動歯車１ａおよび１ｂの間に設けたウエーブ
ジエネレータ７の働きで、楕円形状にされる。このウエ
ーブジエネレータから、１次モーメントが、可撓性スプ
ラインに軸受８を介して伝わる。可撓性スプラインは、
軸受８により楕円形状にするか、または、ウエーブジエ
ネレータ７に設けた磁石により楕円形状にすることがで
きる。波動歯車1a、1bの周囲歯4a、4bと軸状歯6a、6bと
は、それぞれの組み合わせのいずれか一方が２次側軸と
して機能し、他方の組み合わせが、２次モーメントと１
次モーメントとの差を受け取るようにそれぞれ別々に結
合される。しかしながら、この構成において、外歯6a、
6bを接続する軸は一貫して”２次側軸”と呼ぶ。本発明
の原理によれば、歯車装置のモーメント伝達能力は、並
列に設けられた２組の歯同士(4a,6a及び4b,6b)が噛み合
うことにより２倍となる。

第３図および第４図は、モータとしてブラシレス直流モ
ータが取付けられている歯車装置を示す。図示の構成で
は、軸状歯（６ａと６ｂ）は、共通の非強磁性２次側軸
９と一体的に形成され、周囲歯４ａ，４ｂは、外側円形
スプライン１０ａ，１０ｂと一体的に形成される。前述
の基本的部分に加えて、この構造体は、外枠本体１１
と、固定子１２と、固定子巻き線１３と、モータの回転
子として作用する歯車装置のウエーブジエネレータ７と
でなる。モータ用の永久磁石１４と、可撓性スプライン
を楕円形状にする永久磁石１５と、その支持リング１６
とを、ウエーブジエネレータ内に配置する。非強磁性軸
受８と空隙１７とにより、回転子は、可撓性スプライン
に対して移動することができる。この回転子は、軸受１
８ａ，１８ｂにより外側円形スプライン２に取付けられ
る。

第５図は、第３図に示した歯車装置において、可撓性ス
プラインを楕円形の形にするために回転子７と可撓性ス
プライン２に設ける磁気回路を示す。回転子７に固定さ
れた永久磁石１５の磁性方向は、磁束が可撓性スプライ
ンと永久磁石１５と回転子とを介して軸方向と半径方向
へ回るように選択する。このようにして、軸受８に対し
て、その周囲に所望の長さにわたって強力な磁気吸引力
が得られる。支持リング１６により、磁石１５はしっか
りと保持され、磁気吸引力とは関係なく、空隙１７が確
実に保持される。磁束は、可撓性スプライン内には侵入
しないので、回転子と可撓性スプラインとの間で回転運
動が生じるにも拘らず、可撓性スプラインには大きな渦
巻流は生じない。磁気回路部分にある可撓性スプライン
を、透過性が高く、すぐれた飽和値を有し、抵抗率の高
い材料で作ることによって、渦巻流を減少させることが
できる。誘導電流をもっと減少させる方法は、誘導電流
が半径方向に通るのを防ぐために、バンドの両表面間
に、極めて薄い絶縁材料層を備えるように、磁気回路部
分にある可撓性スプラインを薄いバンドで巻くことによ
り可撓性スプラインを製造することである。そうすれ
ば、可撓性スプラインの磁束の移動方向が同じである
時、ヒステリシス損を、著く減少させることができる。
第５図において、頂部磁束と底部磁束とは、このように
して、回転方向が逆となる。可撓性スプラインの磁束方
向が、可撓性スプラインの周囲と平行になるように、そ
の方向を調整することによっても楕円形にできる。それ
によって生じる欠点は、ヒステレリス損が増大するとい
うことである。

第６図は、歯車装置の作動時の状態を示す縮小図であ
る。回転子７が、角度αだけ回転すると、可撓性スプラ
イン２は、距離Ｓ_１＝αＲだけ、半径Ｒを有する外周に
沿って回転する。これによって、可撓性スプラインは、
同一距離αＲだけ、曲線部分Ｓを回転する。こうして、
これより短い長さＳ_２＝αｒだけ、曲線部分Ｓから離反
移動する。曲線部分の長さは、同じ状態のままであるの
で、半径ｒの２次側軸もまた、回転子の回転方向とは反
対方向へ、距離Ｓ_３＝βｒだけ回転しなければならな
い。その入射角は次式で表される。即ち、Ｓ＋Ｓ_１−Ｓ_２−Ｓ_３＝Ｓ上式を簡単化すれば、次式が成立つ、即ち、Ｓ_１−Ｓ_２−Ｓ_３＝０ αＲ−αｒ−（−β）ｒ＝０ α（Ｒ−ｒ）＝−βｒ（回転が正の時計方向）伝達比の公式が、負の符号となることは、２次側軸が１
次側軸の回転方向とは反対方向へ回転することを示して
いる。実際に、可撓性スプラインは、ある厚みを有し、
その内面と外面に設けた歯は、数が異なるが、各歯の大
きさは同じである。このように、伝達比は、複式波動歯
車に関する特許であるアメリカ合衆国特許第２９４３５
１３号明細書に開示された公式によって計算できる。

第７図は、２次側軸に作用する負荷モーメントにより、
可撓性スプライン２に生じる接線方向の引っぱり応力と
圧縮応力とを示す。２次側軸が１次側軸の回転方向とは
反対方向へ回転すると、曲線部分Ｐ_１，Ｐ_２に圧縮応力
が生じ、曲線部分Ｖ_１，Ｖ_２に引っぱり応力が生じる。
波動歯車の歯は、可撓性スプラインの頂点では接触せず
（たとえ、それらの歯が噛み合っているとしても）、正
接点の後の所定点から始まるので、反応がゼロの地点
は、可撓性スプラインと円形周面との間の正接点（頂
点）から所定角γ^e ₁，γ^e ₂の距離をおいて位置つけられ
る。負荷により可撓性スプラインに生じる接線方向の引
っぱり応力状態及び圧縮応力状態は、それらが複式波動
歯車１ａ，１ｂの部分で、可撓性スプラインをより一層
楕円形にし、（回転子の）１次側軸のねじりモーメント
に対して反対方向に可撓性スプラインを回転させる。こ
れにより、もし、楕円形の可撓性スプラインの一側にお
いて、所定角にわたってねじれが生じる場合、これは、
この歯車機構の故に、この部分の範囲内で外周と内周と
の間に変化を生じることになる。この外周と内周は歯車
装置の対応する側で互に噛み合っているので、その外周
と内周との間の変化に対応する動きがまた、歯車の他側
に生じる。これはさらに、歯車装置のこと側にもまた、
それに対応するように楕円の可撓性スプラインにねじれ
を生じさせる。この歯車機構により、このようにして、
歯車装置のねじれは、歯車装置の両側で対称になる。ウ
エーブジエネレータの一部分の範囲内で楕円形の可撓性
スプラインが上記のように変形するならば、もし、腰折
れ(buckling)が生じなければ、可撓性スプラインのプレ
ートの湾曲だけでなく、例えばその材料の剪断を招く。
本発明においては、歯車装置のねじれにより、可撓性ス
プラインにねじり応力を生ずる。しかしながら、これら
は１次モーメントだけで生じ、２次モーメントによって
は生じるのではないので、ねじれは小さくてすむ。この
可撓性スプラインは、ウエーブジエネレータの外側楕円
形から離れていない。この事は、可撓性スプラインが、
永久磁石の吸引力によって支持軸受にしっかりと当って
保持されると、可撓性スプラインが、圧縮応力部分
Ｐ_１，Ｐ_２の範囲内でその形から押しつぶされないで済
むので、可撓性スプラインは、引っぱり応力部分Ｖ_１，
Ｖ_２の範囲内で内方へその形から離れることもできない
という事実による。さらに、この可撓性スプラインは、
引っぱり応力部分Ｖ_１，Ｖ_２の範囲内で作用する引っぱ
り応力により２次側軸に押しつけられるので、可撓性ス
プラインは、２次側軸の歯から外れることはない。

上述したことをまとめれば、この歯車装置は、負荷に対
して安定して作動することができ、しかも装置での弾力
性に対して剛性的に作動することができると言える。最
適のモーメント伝達能力を得るため、可撓性スプライン
の剛性は、そこにかかる全ての応力成分を考慮に入れて
決定すべきである。これは、ここではこれ以上詳述しな
い、公知の方法によって最適化できる。

この歯車装置の化撓性スプラインはまた、外側支持軸受
８により楕円形にすることによって、別の引っぱり磁石
を必要としなくてすむようにすることもできる。この支
持軸受８は、可撓性スプラインを２次側軸の歯に押し付
けている間、可撓性スプラインは、垂直面で外周歯に対
して同時に押し付けられる。この種の歯車装置は、軸受
クリアランスを必要とするために、磁気作用で楕円形を
作る場合より一層ねじりクリアランスを受け易い。しか
しながら、利点は、可撓性スプラインに渦巻流が生じな
くて済み、部品の材料の選択にあたって、強磁性特性を
考慮する必要がないということである。

可撓性スプラインを楕円形に形成し、それに対応した方
法で、可撓性スプライン内の１次モーメントの供給を、
可撓性スプラインから内側に向って行ってもよい。

所望であれば、歯車装置のねじりクリアランスは、外周
の歯と２次側軸とを縦方向に二つに分けることによって
減少させることができる。可撓性スプラインの各噛み合
せの対応歯部分を互いに対して回転させ、それらの部分
を一緒にロツクすることによって、それらの噛み合せ間
でクリアランスがなくとも、接触が生じるようにする。

この歯車装置は、複式波動歯車の可撓性スプラインが、
２個の突出部を有する場合についてこれまで説明してき
た。しかしながら、歯車装置はまた、複式波動歯車が一
般にそうであるように、突出部の数が、たとえ、上述の
場合とは異なっていても作動できることに留意された
い。

この歯車装置は、容易に密閉化して潤滑剤が流出しない
ようにすることができ、また、歯に外来不純物が進入す
るのも防止できる。この事は、図面を明確にするため実
施例の図面には示していない。

歯車装置の２次側軸は、可撓性スプラインを介して一定
の半径方向に支持される。２次側軸の半径方向及び軸方
向の負荷容量は、外部軸受によりさらに改善される。さ
らにまた、この可撓性スプラインは、軸方向に支持する
こともできる。これらの特徴もまた、図面を明瞭にする
ために図面には示していない。

歯車装置はまた、推進歯車としても働き、その場合、２
次側軸は、駆動軸として作用する。

所望であれば、ボールナツトやボールねじ等、軸方向へ
の可動部材を、２次側軸に連動して位置づけることがで
き、こうすると、強力で正確で、しかもコンパクトな軸
方向の動力装置を得ることができる。

歯車装置を、複数個例えば被動軸に並列に接続させるこ
ともでき、こうすると、軸に対するそれらのモーメント
伝達能力が、個々の歯車のモーメント伝達能力の合計と
なる。

歯車装置を、複数個互に接続することにより連続的に接
続して、先行する歯車の２次側軸が、後段の歯車の１次
側リムに接続するようにしてもよい。こうすると、その
結合体の伝達比は、個々の伝達比の積となる。

本発明及びその用途について、添付図面の実施例に関連
しながらこれまで説明してきたけれども、本発明はそれ
に制限されるものではなく、この技術に熟達した人は、
自分の知識の範囲にあるものと共に、請求項に開示した
発明性のあるアイデアの範囲内でそれを変形することが
できることは勿論である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２個の波動歯車(1a、1b)であって、各々
が、第１歯車部材に内側周囲歯(4a、4b)と、第２歯車部
材に外側歯部(6a、6b)と、これらの内側周囲歯と外側歯
部の間に設けられた可撓性スプライン(2)を有し、該可
撓性スプライン(2)は、その外側表面上に、前記内側周
囲歯(4a、4b)と噛み合う歯部(3a、3b)と、その内側表面
上に、前記外側歯部(6a、6b)と噛み合う歯部(5a、5b)を
有する歯車装置において、前記可撓性スプライン(2)
は、前記波動歯車(1a、1b)に共有されており、かつ、可
撓性スプラインの各端部が、ひとつの波動歯車(1a、1b)
の要素となるように並列的にこれらと結合されており、
ウエーブジエネレータ(7)、が前記波動歯車の噛み合い
部分間に配置され、可撓性スプライン(2)を楕円形状に
するとともに、このウエーブジエネレータ可撓性スプラ
イン間でトルクを伝達する機構を備えていることを特徴
とする歯車装置。
【請求項２】前記歯車装置が、前記共有される可撓性ス
プライン(2)を楕円形状にする磁石(15)を有し、該磁石
(15)は、可撓性スプライン(2)、磁石(15)及びウエーブ
ジエネレータ(7)を介して、ウエーブジエネレータの所
望の長さにわたって、軸線方向及び半径方向に磁束を発
生させるようにウエーブジエネレータ(7)内に設けられ
ており、かつ、ウエーブジエネレータ内に支持軸受(8)
が設けられ、該軸受は、前記ウエーブジエネレータと可
撓性スプライン間の相対的な動きを許すように、これら
の間に空隙を形成する、特許請求の範囲第１項記載の歯
車装置。
【請求項３】前記可撓性スプラインが、軸受(8)により
楕円形にされるように設けられている、特許請求の範囲
第１項記載の歯車装置。
【請求項４】前記ウエーブジエネレータ(7)が、歯車装
置に取り付けられたモータの回転子と一体的に形成され
る、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
載の歯車装置。