WO2016129123A1 - 波動歯車装置および波動発生器 - Google Patents

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
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    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/005Mechanical details, e.g. housings

Definitions

  • the present invention relates to a wave generator of a wave gear device using a solid displacement element that can be expanded and contracted by energization, and a wave gear device provided with the wave generator.
  • the wave generator of the wave gear device bends the flexible external gear into a non-circular shape and partially engages the rigid internal gear, and moves the mesh position of both gears in the circumferential direction to The relative rotation according to the difference in the number of teeth is generated between them.
  • a wave generator as proposed in Patent Documents 1 and 2, one using a piezoelectric element which is a solid displacement element that can be expanded and contracted by energization is known.
  • each portion in the circumferential direction of the external gear is repeatedly bent in the radial direction with a constant amplitude and cycle using a plurality of piezoelectric elements, and the external gear relative to the internal gear is Move the meshing position in the circumferential direction.
  • a wave generator using a conventional solid displacement element can not obtain sufficient deformation required to bend the external gear, and often has insufficient radial rigidity. For this reason, it is often difficult to put into practical use as a wave generator of a wave gear device that generates a large load torque.
  • An object of the present invention is to provide a wave generator of a wave gear device capable of receiving a large load torque by utilizing the rigidity, the amount of deformation and the deformation force of a plate-like displacement element curved in an arc shape, and the wave generation Gear provided with a gear.
  • the present invention bends each part of the flexible external gear in the circumferential direction with a predetermined amplitude and cycle using a plurality of solid displacement elements.
  • a wave gear that moves the meshing position of the external gear with respect to a rigid internal gear in a circumferential direction, and generates relative rotation between the external gear and the internal gear according to the difference in the number of teeth
  • the solid displacement element is a monomorph-type or bimorph-type rectangular plate-like element curved in an arc shape, and when energized, from the arc shape to the arc radius of the arc shape.
  • the portion of the external gear that can be deformed into a semicircular shape with a small radius and bent by the solid displacement element that is deformed into the semicircular shape engages with the internal gear.
  • the amount of deformation in the radial direction is larger than the amount of deformation in the chord direction of the arc up to near the semicircular shape.
  • the top of the side can be greatly displaced.
  • the rigidity in the radial direction of the solid displacement element becomes significantly higher when it is deformed into a semicircular shape than in the case of a flat arc shape deformed state.
  • the solid displacement element by deforming the solid displacement element into a semicircular shape, the portion of the external gear that is pressed by the solid displacement element can be largely deformed in the radial direction, and can be reliably engaged with the internal gear.
  • the radial load acting on the solid displacement element is maximized at the meshing position of both gears, the solid displacement element at this position is deformed into a semicircular shape and the rigidity is very high. Therefore, it is possible to realize a wave generator capable of receiving a large load torque by utilizing the large radial displacement and rigidity of the solid displacement element.
  • the wave generator according to the present invention has an element holding member for holding the solid displacement element, and the element holding member has a circular outer peripheral surface that can face the inner peripheral surface of the external gear, and the circular outer peripheral surface
  • the convex side surface of the solid displacement element is located outside the radial direction of the circular outer peripheral surface. It is held in the state of turning to the side.
  • one first end in the lengthwise direction of the solid displacement element is hinged (pin coupled) to the element holding portion so as not to move, and the other second end is connected to the first end. Movement is free in the direction toward and away from.
  • each of the element holding portions includes an inclined holding surface which is inclined with respect to an orthogonal plane orthogonal to the radius line of the circular outer peripheral surface, and the first end of the solid displacement element is the inclined holding surface.
  • the second end is hinged to one end of the circumferential direction and the second end is slidable along the inclined holding surface.
  • the top surface portion of the convex side surface of the solid displacement element may press the inner peripheral surface of the external gear directly or through a flexible ring.
  • a flexible annulus facilitates the use of a smaller number of solid displacement elements to flex the external gear into the desired flex configuration.
  • the solid displacement element is formed of first and second solid displacement elements, and each of the first and second solid displacement elements is formed into an arc shape of a monomorph type or bimorph type rectangular plate element. It is curved, and can be deformed from the arc shape into a semicircular shape having a smaller radius than the arc radius of the arc shape by energization.
  • the solid displacement element has a cylindrical shape in which the first and second solid displacement elements are mutually connected at both ends in the longitudinal direction, and the first and second solid displacement elements are the half. By being deformed into a circular shape, the cylindrical shape is deformed into a cylindrical shape. The portion of the external gear that is deflected by the solid displacement element that has been deformed into a cylindrical shape meshes with the internal gear.
  • the solid displacement element in each element holding portion of the element holding member for holding the solid displacement element, is directed such that the convex side surfaces of the first and second solid displacement elements face the radial direction of the circular outer circumferential surface It may be held in a state in which the radial deformation is possible.
  • a wave gear device is characterized by including the wave generator having the above-mentioned configuration.
  • FIG.1 (a) is a front view which shows the wave gear apparatus which concerns on this Embodiment
  • FIG.1 (b) is the longitudinal cross-sectional view.
  • the wave gear device 1 has a rigid internal gear 2, a cup-shaped external gear 3 coaxially disposed on the inner side, and a wave generator 4 coaxially mounted on the inner side.
  • n is a positive integer
  • the number of teeth of the external gear 3 is smaller than the number of teeth of the internal gear 2 by 2n.
  • the external gear 3 is bent into an elliptical shape by the wave generator 4 and is engaged with the internal gear 2 at both ends in the direction of the major axis L1 of the elliptical shape.
  • the meshing positions of the two gears 2 and 3 are moved by the wave generator 4 in the circumferential direction of the internal gear 2. Both gears 2 and 3 undergo relative rotation by an angle corresponding to the difference in the number of teeth while the meshing position moves by one rotation.
  • FIG.2 (a) is a front view which takes out and shows the wave generator 4
  • FIG.2 (b) is the longitudinal cross-sectional view
  • FIG.2 (c) is the partial expanded sectional view.
  • the wave generator 4 covers the outer periphery of the element holding member 11, a rigid element holding member 11 having an annular shape, a plurality of solid displacement elements 12 held on the outer peripheral portion of the element holding member 11, and , And an annular element presser 14 coaxially attached to both sides of the outer peripheral portion of the element holding member 11.
  • the element holding member 11 is provided with a circular outer circumferential surface 15 having a constant width in the direction of the central axis 1a, and on the circular outer circumferential surface 15, a plurality of element holding portions 16 are arranged at constant angular intervals along the circumferential direction. It is formed.
  • the element holding portion 16 is a recessed portion obtained by cutting the circular outer peripheral surface 15 to a predetermined depth with a full width, and the adjacent element holding portions 16 are partitioned by a partition portion 17 having a predetermined thickness in the circumferential direction. . In the present example, twelve element holding portions 16 are formed.
  • the element holding portion 16 has a holding surface 16a orthogonal to the radial line 18 of the element holding member 11, and the holding surface 16a has a distance from the intersection point P1 with the radial line 18 to the end 16b on one side Less than the distance to the side edge 16c.
  • Solid displacement elements 12 are held in each of the element holding portions 16 one by one.
  • the solid displacement element 12 is formed by curving a rectangular plate element having a width substantially the same as the width of the holding surface 16 a and longer than the length of the holding surface 16 a in an arc shape.
  • the solid displacement element 12 is a monomorph type deformation element including a rectangular electrode plate 21 curved in an arc shape and a plate-like piezoelectric element 22 stacked on the concave side of the electrode plate 21. It is also possible to use a shape memory alloy as the solid displacement element 12.
  • the element displacement member 12 held by the element holding portion 16 is held by the element presser 14 from both sides so as not to slip out in the width direction.
  • the element retainers 14 are attached to side portions on both sides of the partition 17 between the element holders 16. Further, each of the solid displacement elements 12 presses the inner peripheral surface of the flexible ring 13 disposed on the outer side in the radial direction from the inner side.
  • the initial setting shape of the solid displacement element 12 is an arc shape 12A which is bridged from one end 16b of the holding surface 16a to the other end 16c as shown by a solid line in FIG.
  • the convex side surface 12 a faces outward in the radial direction.
  • the arc shape 12A is a flat arc shape having a lower height (height in the radial direction) from the holding surface 16a as compared to the semicircular shape 12B indicated by an imaginary line.
  • One first end 12b of the solid displacement element 12 is hinged (pin coupled) to one end 16b of the holding surface 16a, and the solid displacement element 12 is fixed to the holding surface 16a about the first end 12b. It can be pivoted towards and away from.
  • the other second end 12 c of the solid displacement element 12 is a free end, and is free to move in the direction toward and away from the first end 12 b.
  • the vertex P is set to be located on the radial line 18 orthogonal to the holding surface 16a.
  • the apex P of the convex side surface 12a is at the lowest position, and this position is set to be located on the circular outer peripheral surface 15 of the element holding member 11. It is done.
  • the apex P is set to a position projecting outward in the radial direction from the circular outer circumferential surface 15 by a predetermined amount There is.
  • solid displacement elements 12 positioned at both ends of the major axis L1 of the elliptical shape, that is, solid displacement elements 12 (1) in FIG.
  • Solid displacement elements 12 which deform 12 (7) into a semicircular shape 12B and located at both ends of a short axis L2 orthogonal to this, ie, solid displacement elements 12 (4), 12 (10) in FIG. 2 (a)
  • the deformation amount of each solid displacement element 12 gradually approaches the semicircular shape 12B. increase.
  • an elliptical shape circumscribing the vertex P of each solid displacement element 12 is defined.
  • a flexible ring 13 is mounted on the outer periphery of the element holding member 11.
  • the inner diameter of the annular ring 13 is slightly larger than the circular outer peripheral surface 15 of the element holding member 11.
  • the annulus 13 is radially deflected by the solid displacement elements 12 deformed as described above to an elliptical shape defined by their apexes P.
  • the diameter line passing through the solid displacement elements 12 (1) and 12 (7) is the position of the major axis L1
  • the diameter line passing through the solid displacement elements 12 (4) and 12 (10) Is the position of the minor axis L2.
  • the flexible ring 13 is fitted on the inner peripheral surface of the flexible external gear 3. Therefore, the external gear 3 is also bent into an elliptical shape by the ring 13 bent into an elliptical shape. As a result, the external teeth 3a of the external gear 3 mesh with the internal teeth 2a of the internal gear 2 at both ends of the elliptical major axis L1.
  • FIG. 3 shows a deformed state of the solid displacement element 12.
  • the elliptical shape rotates about the central axis 1a (see FIG. 1), and the meshing position of both gears 2 and 3 moves in the circumferential direction Do. That is, the solid displacement element 12 defining the minor axis position L2 of the elliptical shape gradually shrinks into a semicircular shape 12B, and defines the major axis position of the elliptical shape. Conversely, the solid displacement element 12 of the semicircular shape 12B defining the major axis position of the elliptical shape gradually extends back to the flat arc shape 12A, and defines the minor axis position of the elliptical shape.
  • the wave generator 4 of this example can handle a large load torque by utilizing the change in rigidity, the amount of deformation and the deformation force accompanying the deformation of the solid displacement element 12 having the arc shape as described above. This point will be described below.
  • FIG. 4 (a) is an explanatory view showing the displacement amount of the arc shape of the solid displacement element 12 in the chord direction and the radial direction
  • FIG. 4 (b) shows the relationship between the flat ratio of the solid displacement element 12 and the displacement ratio. It is a graph.
  • the amount of displacement of the arc-shaped solid displacement element 12 increases as it approaches the semicircular shape in both ⁇ x (in the chord direction of the arc) and ⁇ y (in the radial direction of the arc). That is, assuming that the arc radius of the arc shape is R, the radius of the semicircular shape is Ro, and the flatness of the arc shape is R / Ro, the flatness becomes larger as it approaches 1. Also, as the flatness ratio decreases from around 2, the displacement amount ratio increases. Furthermore, up to the vicinity of the semicircular shape, there is a relationship of ⁇ y> ⁇ x. It can be seen that the horizontal displacement of the apex P of the convex side, which is the maximum position of the displacement amount ⁇ y, becomes smaller as it approaches the semicircular shape.
  • the solid displacement element 12 disposed at a position corresponding to the meshing position of the external gear and the internal gear is deformed into a semicircular shape. Therefore, at the meshing position, the apex P of the convex side surface of the solid displacement element 12 is largely displaced outward in the radial direction, so it is easy to secure a displacement amount necessary for bending the external gear.
  • FIG. 5 (a) is an explanatory view showing the radial rigidity of the solid displacement element 12
  • FIG. 5 (b) is a graph showing the relationship between the flatness of the solid displacement element 12 and the radial rigidity.
  • the radial rigidity of the solid displacement element 12 increases as the flatness ratio increases from 2 to 1 and approaches a semicircular shape (when the flatness ratio approaches 1) ) Become bigger rapidly.
  • the solid displacement element 12 is deformed into a semicircular shape at the position of the major axis L1 of the elliptical shape which is the meshing position of both the gears 2 and 3, so the solid displacement element 12 in the meshing position receives a large load torque. Can receive.
  • FIG. 6 (a) is an explanatory view showing the amount of contraction in the chord direction and the amount of contraction in the arc direction of the solid displacement element 12
  • FIG. 6 (b) is a graph showing the relationship between the aspect ratio and the contraction rate.
  • the amount of contraction for deforming the solid displacement element 12 into a semicircular shape is the amount of contraction in the arc direction (arrow B) compared to the amount of contraction in the chord direction (direction along arrow A).
  • Direction is very small.
  • the amount of contraction in the arc direction may be slightly increased even when approaching a semicircular shape.
  • the solid displacement element 12 Based on the deformation and rigidity of the circular arc shape of the solid displacement element 12, the solid displacement element 12 is deformed into a semicircular shape at the major axis position of the elliptical shape which is the meshing position of both gears 2, 3, It is desirable to return to a flat arc shape. Further, it is desirable to use a monomorph type deformation element in which the arc radius R of the arc shape and the radius Ro of the semicircular shape satisfy the following conditional expression. 1 ⁇ R / Ro ⁇ 2
  • a plurality of arc-shaped solid displacement elements 12 are provided at equal angular intervals in the circumferential direction inside the flexible ring 13 in contact with the inner periphery of the external gear 3 It is arranged.
  • each solid displacement element 12 By repeatedly deforming each solid displacement element 12 between a circular arc shape and a semicircular shape in a constant cycle, each portion in the circumferential direction of the external gear 3 can be repeatedly bent in the radial direction, and the meshing position Can be moved in the circumferential direction.
  • the solid displacement element 12 is deformed into a semicircular shape in the vicinity of the major axis L1 of the elliptical shape where the radial load by the meshing of both the gears 2 and 3 of the wave gear device 1 becomes maximum.
  • the strength of rigidity in the radial direction, displacement amount and deformation force when each solid displacement element 12 is deformed into a semicircular shape is used, so that the wave generator 4 capable of receiving a large load torque can be realized. .
  • the flexible ring 13 is disposed between the external gear 3 and the solid displacement element 12, and the top surface portion of the convex side surface of the solid displacement element 12 is the inner circumferential surface of the ring 13.
  • the pressure is applied to bend the ring 13 into an elliptical shape, and the external gear 3 is bent into an oval through the ring 13.
  • the ring 13 may be omitted, and the top surface portion of the convex side of the solid displacement element 12 may be brought into contact with the inner peripheral surface of the external gear 3, and the external gear 3 may be bent directly by the solid displacement element 12. It is possible.
  • the external gear 3 is bent in an elliptical shape, but it is also possible to bend the external gear 3 into a shape that engages with the internal gear 2 simultaneously at three locations.
  • twelve solid displacement elements 12 are disposed, but other numbers of solid displacement elements may be disposed. At least four or more solid displacement elements 12 may be arranged at equal angular intervals.
  • connection-type solid displacement element of the structure shown in FIG. 8 is a solid displacement element.
  • the coupled solid displacement element 30 is a coupling end in which the first and second solid displacement elements 31, 32 are hinged (pin coupled) to each other at both ends in their longitudinal direction. It has a flat cylindrical shape with 33, 34.
  • the first and second solid displacement elements 31 and 32 are the same as the solid displacement element 12 described above.
  • connection end 33 is movable only in the radial direction, and the other connection end 34 is movable in the direction toward and away from the connection end 33.
  • connection-type solid displacement elements 30 when the connection-type solid displacement elements 30 are energized, the first and second solid displacement elements 31 and 32 deform from a flat arc shape to a semicircular shape. As a result, the coupled solid displacement element 30 is deformed into a cylindrical shape as shown in FIG. 8 (a).
  • the displacement amount of the apex P for pressing the external gear 3 is a single solid displacement element It can be doubled compared to.
  • FIG.9 (a) is a front view which shows another example of the wave generator 4
  • FIG.9 (b) is the longitudinal cross-sectional view
  • FIG.9 (c) is the partial expanded sectional view.
  • the basic configuration of the wave generator 40 of this example is the same as that of the wave generator 4 described above. Therefore, the corresponding parts in the wave generator 40 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • each element holding portion 16 is the inclined holding surface 161a.
  • the inclined holding surface 161a is an inclined plane which is inclined at a predetermined angle in the circumferential direction with respect to an orthogonal surface 160 indicated by a dashed dotted line orthogonal to the radius line of the circular outer peripheral surface 15. In this example, it is an inclined plane inclined at 10 degrees with respect to the orthogonal plane 160, and is inclined inward in the radial direction with respect to the orthogonal plane 160 from one end 161b thereof to the other end 161c.
  • One end 12b of the solid displacement element 12 is hinged to one end 161b of the inclined holding surface 161a, and the other end 12c is slidable along the inclined holding surface 161a.
  • the solid displacement element 12 is in a semicircular shape 12 B, its apex P is set to be located on the radial line 18.
  • the apex P of the convex side surface 12a is at the lowest position, and this position is set to be located on the circular outer peripheral surface 15 of the element holding member 11. It is done.
  • the apex P is set to a position projecting outward in the radial direction from the circular outer circumferential surface 15 by a predetermined amount There is.
  • solid displacement elements 12 positioned at both ends of the major axis L1 of the elliptical shape, ie, solid displacement elements 12 (1) in FIG.
  • Solid displacement elements 12 which deform 12 (7) into a semicircular shape 12B and located at both ends of a short axis L2 orthogonal to this, ie, solid displacement elements 12 (4), 12 (10) in FIG. 2 (a) Is held in a flat arc shape 12A.
  • the deformation amount of each solid displacement element 12 gradually approaches the semicircular shape 12B. increase.
  • an elliptical shape is defined in which the apexes P of the solid displacement elements 12 are inscribed.
  • FIG. 10 is an explanatory view showing the movement of the apex P due to the deformation of the solid displacement element 12.
  • FIG. 10 (a) is an explanatory view in the case where the orthogonal plane 160 is used as a holding surface
  • FIG. (B2) is an explanatory view in the case of using the inclined holding surface 162 inclining by 5 degrees with respect to the orthogonal plane 160
  • (b3) ) Is an explanatory view in the case of using the inclined holding surface 163 which is inclined 15 degrees with respect to the orthogonal surface 160.
  • the movement locus M0 of the vertex P due to the deformation of the solid displacement element 12 held in the orthogonal plane 160 is a linear shape inclined outward in the radial direction, and the displacement amount in the radial direction Is V0, and the displacement in the direction orthogonal to the radial line 18 is H0.
  • the movement loci M1, M2, and M3 of the vertex P are curved in one direction.
  • the displacement amounts V1, V2, V3 in the radial direction are substantially the same as the displacement amount V0, but the displacement amounts H1, H2, H3 in the direction orthogonal to the radial line 18 are smaller than in the case of the orthogonal surface 160.
  • the position of the apex P of the initial arc-shaped solid displacement element 12A and the position of the apex P after being deformed into a semicircle have substantially the radius Draw a movement locus M1 located on the line 18. Therefore, the movement of the apex P (the contact position with the inner circumferential surface of the external gear) of each solid displacement element 12 pressing the external gear becomes close to the elliptical movement of the external gear. As a result, a displacement closer to the displacement of the external gear by the wave generator using a rigid body plug having an elliptical contour can be applied to the external gear using the solid displacement element 12.
  • the inclination angle of the inclined holding surface may be set to an appropriate angle according to the size, shape, displacement amount of the solid displacement element, the outer diameter of the wave generator, and the like. As shown in FIG. 10 (b1), the position of the apex P of the initial arc-shaped solid displacement element 12 and the position of the apex P after being deformed into a semicircular shape are set so as to be located substantially on the radius line 18. Is desirable.

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Abstract

 波動歯車装置(1)の波動発生器(4)は、複数個の固体変位素子(12)を用いて、可撓性の外歯歯車(3)を非円形に撓めて剛性の内歯歯車(2)に対して部分的にかみ合わせる。固体変位素子(12)は、モノモルフ型あるいはバイモルフ型の長方形の板状素子を円弧形状に湾曲させたものであり、通電により、円弧形状(12A)から、当該円弧形状の円弧半径よりも小さな半径の半円形状(12B)に変形可能である。固体変位素子(12)の変形に伴う、剛性、変形量及び変形力の変化を利用して、大きな負荷トルクを受け持つことができる波動発生器を実現できる。

Description

波動歯車装置および波動発生器
 本発明は、通電により伸縮可能な固体変位素子を用いた波動歯車装置の波動発生器、および当該波動発生器を備えた波動歯車装置に関する。
 波動歯車装置の波動発生器は、可撓性の外歯歯車を非円形に撓めて剛性の内歯歯車に部分的にかみ合わせ、両歯車のかみ合い位置を周方向に移動させて、両歯車の間に歯数差に応じた相対回転を生じさせるようにしている。波動発生器としては、特許文献1、2において提案されているように、通電により伸縮可能な固体変位素子である圧電素子を用いたものが知られている。
 この構成の波動発生器では、外歯歯車の円周方向の各部を、複数個の圧電素子を用いて、半径方向に一定の振幅および周期で繰り返し撓めて、内歯歯車に対する外歯歯車のかみ合い位置を円周方向に移動させる。これにより、外歯歯車と内歯歯車の歯数差に応じた相対回転が、両歯車の間に生じる。
特開2011-152026号公報 特開2007-71242号公報
 従来の固体変位素子を用いた波動発生器は、外歯歯車を撓めるために必要とされる十分な変形を得ることができず、また、半径方向の剛性が十分でない場合が多い。このために、大きな負荷トルクを発生させる波動歯車装置の波動発生器として実用化することが難しい場合が多い。
 本発明の課題は、円弧形状に湾曲形成した板状の変位素子の剛性、変形量及び変形力を利用して、大きな負荷トルクを受け持つことができる波動歯車装置の波動発生器、および当該波動発生器を備えた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、本発明は、可撓性の外歯歯車の円周方向の各部を、複数個の固体変位素子を用いて、半径方向に所定の振幅および周期で撓めて、剛性の内歯歯車に対する前記外歯歯車のかみ合い位置を円周方向に移動させ、前記外歯歯車と前記内歯歯車の歯数差に応じた相対回転を両歯車の間に生じさせる波動歯車装置の波動発生器において、前記固体変位素子は、モノモルフ型あるいはバイモルフ型の長方形の板状素子を円弧形状に湾曲させたものであり、通電により、前記円弧形状から、当該円弧形状の円弧半径よりも小さな半径の半円形状に変形可能であり、前記半円形状に変形した前記固体変位素子によって撓められる前記外歯歯車の部分が、前記内歯歯車にかみ合うことを特徴としている。
 固体変位素子は、偏平な円弧形状から半円形状に近づく方向に変形する際に、半円形状付近までは、円弧の弦方向の変形量に比べて半径方向の変形量が大きいので、その凸側面の頂点を大きく変位させることができる。また、固体変位素子の半径方向の剛性は、半円形状に変形させると、それよりも偏平な円弧形状の変形状態の場合に比べて格段に高くなる。
 したがって、固体変位素子を半円形状に変形させることにより、当該固体変位素子によって押圧される外歯歯車の部分を半径方向に大きく変形させて、内歯歯車に確実にかみ合わせることができる。また、両歯車のかみ合い位置において固体変位素子に作用する半径方向荷重が最大になるが、この位置の固体変位素子は半円形状に変形しており、剛性が非常に高い。よって、固体変位素子の半径方向への大きな変位と剛性の強さを利用して、大きな負荷トルクを受け持つことができる波動発生器を実現できる。
 ここで、前記固体変位素子の前記半径形状の前記半径をRo、前記円弧半径をRとすると、これらの関係は次の条件式を満足することが望ましい。
   1 < R/Ro < 2
 本発明の波動発生器は、前記固体変位素子を保持する素子保持部材を有し、前記素子保持部材が、前記外歯歯車の内周面に対峙可能な円形外周面と、当該円形外周面において円周方向に等角度間隔に形成された複数の素子保持部とを備えている場合には、前記素子保持部には、前記固体変位素子の凸側面が、前記円形外周面の半径方向の外方を向く状態に保持される。また、前記固体変位素子における長さ方向の一方の第1端部は、移動しないように前記素子保持部にヒンジ結合(ピン結合)され、他方の第2端部は、前記第1端部に対して接近および離れる方向に移動が自由とされる。
 この場合、前記素子保持部のそれぞれは、前記円形外周面の半径線に直交する直交面に対して傾斜する傾斜保持面を備え、前記固体変位素子の前記第1端部は前記傾斜保持面における前記円周方向の一方の端にヒンジ結合され、前記第2端部は前記傾斜保持面に沿ってスライド自在であることが望ましい。
 このようにすると、各固体変位素子の変位に伴う当該固体変位素子の頂点(外歯歯車の内周面との接触位置)の動きは、外歯歯車の楕円運動に近くなる。よって、各固体変位素子の保持面を傾斜面とすることで、楕円状輪郭の剛体プラグを用いた波動発生器による外歯歯車の変位により近い変位を、外歯歯車に与えることができる。
 また、本発明の波動発生器において、前記固体変位素子の前記凸側面の頂面部分は、直接、あるいは、可撓性の円環を介して、前記外歯歯車の内周面を押圧すればよい。可撓性の円環を用いると、より少ない個数の固体変位素子を用いて、外歯歯車を所望の撓み形状となるように撓めることが容易になる。
 次に、固体変位素子による外歯歯車の撓み量を大きくするためには、2個の上記構成の固体変位素子を連結して用いればよい。この場合には、前記固体変位素子は第1、第2固体変位素子から形成され、前記第1、第2固体変位素子のそれぞれは、モノモルフ型あるいはバイモルフ型の長方形の板状素子を円弧形状に湾曲させたものであり、通電により、前記円弧形状から、当該円弧形状の円弧半径よりも小さな半径の半円形状に変形可能である。また、前記固体変位素子は、前記第1、第2固体変位素子がそれらの長さ方向の両端において相互に連結された筒形状をしており、前記第1、第2固体変位素子が前記半円形状に変形することにより、前記筒形状から円筒形状に変形する。円筒形状に変形した前記固体変位素子によって撓められる前記外歯歯車の部分が、前記内歯歯車にかみ合う。
 この場合には、固体変位素子を保持する素子保持部材の各素子保持部において、前記固体変位素子を、前記第1、第2固体変位素子の凸側面が前記円形外周面の半径方向を向き、当該半径方向への変形が可能な状態に保持すればよい。
 次に、本発明の波動歯車装置は、上記構成の波動発生器を有していることを特徴としている。
本発明を適用した波動歯車装置の正面図および縦断面図である。 図1の波動歯車装置の波動発生器を示す正面図、断面図および部分拡大断面図である。 図2の波動発生器の固体変位素子の変形状態を示す説明図である。 波動発生器の固体変位素子の弦方向および半径方向の撓み量を示す説明図、および、円弧半径と変位量の関係を示すグラフである。 固体変位素子の半径方向剛性率を示す説明図、および、円弧半径と半径方向剛性率の関係を示すグラフである。 固体変位素子の弦方向収縮量および円弧方向収縮量を示す説明図、および、円弧半径と収縮率の関係を示すグラフである。 固体変位素子の別の例を示す説明図である。 固体変位素子の別の例を示す説明図である。 本発明を適用した波動歯車装置の波動発生器の別の例を示す正面図、断面図および部分拡大断面図である。 保持面の角度を変えた場合における固体変位素子の頂点の動き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波動発生器を備えた波動歯車装置の実施の形態を説明する。
 図1(a)は本実施の形態に係る波動歯車装置を示す正面図であり、図1(b)はその縦断面図である。波動歯車装置1は、剛性の内歯歯車2と、この内側に同軸に配置されたカップ形状の外歯歯車3と、この内側に同軸に装着した波動発生器4とを有している。例えば、nを正の整数とすると、外歯歯車3の歯数は内歯歯車2の歯数よりも2n枚少ない。
 波動発生器4によって、外歯歯車3は楕円形状に撓められ、その楕円形状の長軸L1の方向の両端において内歯歯車2にかみ合っている。両歯車2、3のかみ合い位置は、波動発生器4によって、内歯歯車2の円周方向に移動させられる。両歯車2、3は、かみ合い位置が1周分移動する間に、歯数差分に相当する角度分の相対回転が生じる。
 図2(a)は波動発生器4を取り出して示す正面図であり、図2(b)はその縦断面図であり、図2(c)はその部分拡大断面図である。波動発生器4は、円環形状をした剛性の素子保持部材11と、この素子保持部材11の外周部分に保持されている複数個の固体変位素子12と、素子保持部材11の外周を覆う状態に同軸に装着した可撓性の円環13と、素子保持部材11の外周部分の両側に同軸に取り付けた円環状の素子押さえ14とを備えている。
 素子保持部材11は、その中心軸線1aの方向の幅が一定の円形外周面15を備え、当該円形外周面15には、円周方向に沿って複数の素子保持部16が一定の角度間隔で形成されている。素子保持部16は、円形外周面15を全幅で所定の深さに切り取った凹部であり、隣接する素子保持部16の間は、円周方向に所定厚さの仕切り部17によって仕切られている。本例では、12個の素子保持部16が形成されている。素子保持部16は、素子保持部材11の半径線18に直交する保持面16aを備え、保持面16aは、半径線18との交点P1から一方の側の端16bまでの距離が、交点から他方の側の端16cまでの距離よりも短い。
 素子保持部16のそれぞれに、1個ずつ、固体変位素子12が保持されている。固体変位素子12は、保持面16aの幅とほぼ同一の幅で、保持面16aの長さよりも長い長方形の板状素子を円弧状に湾曲成形したものである。固体変位素子12は、円弧状に湾曲させた長方形の電極板21と、電極板21の凹面側に積層された板状の圧電素子22とを備えたモノモルフ型の変形素子である。固体変位素子12として形状記憶合金を用いることも可能である。
 素子保持部16に保持された固体変位素子12が幅方向に抜け出ないように、両側から素子押さえ14によって保持される。素子押さえ14は、素子保持部16の間の仕切り部17の両側の側面部分に取り付けられている。また、固体変位素子12のそれぞれは、半径方向の外側に配置されている可撓性の円環13の内周面を内側から押圧している。
 固体変位素子12の初期設定形状は、図2(c)に実線で示すように、保持面16aの一方の端16bから他方の端16cに掛け渡される円弧形状12Aであり、素子保持部材11の半径方向の外方に凸側面12aが面している。円弧形状12Aは、想像線で示す半円形状12Bにした場合に比べて、保持面16aからの高さ(半径方向の高さ)が低い偏平な円弧形状である。固体変位素子12に対する通電を制御することにより、固体変位素子12は、偏平な円弧形状12Aから半円形状12Bまでの間で、変形状態を変えることが可能である。
 固体変位素子12の一方の第1端部12bは保持面16aの一方の端16bに対してヒンジ結合(ピン結合)され、この第1端部12bを中心として、固体変位素子12は保持面16aに対して接近および離れる方向に回動可能である。これに対して、固体変位素子12の他方の第2端部12cは自由端であり、第1端部12bに対して接近および離れる方向への移動が自由である。また、固体変位素子12が半円形状12Bの状態では、その頂点Pが保持面16aに直交する半径線18上に位置するように設定されている。
 また、固体変位素子12が偏平な円弧形状12Aの状態では、その凸側面12aの頂点Pは最も低い位置にあり、この位置は、素子保持部材11の円形外周面15上に位置するように設定されている。これに対して、固体変位素子12が最も変形した半円形状12Bの状態では、その頂点Pは円形外周面15よりも半径方向の外方に所定量だけ突出した位置となるように設定されている。
 本例では、外歯歯車3を楕円形状に撓めるために、楕円形状の長軸L1の両端に位置する固体変位素子12、すなわち、図2(a)における固体変位素子12(1)、12(7)を半円形状12Bに変形させ、これに直交する短軸L2の両端に位置する固体変位素子12、すなわち、図2(a)における固体変位素子12(4)、12(10)を偏平な円弧形状12Aにする。また、固体変位素子12(4)、12(10)から固体変位素子12(7)、12(1)に向けて、各固体変位素子12を徐々に半円形状12Bに近づく方向に変形量を増加させる。これにより、各固体変位素子12の頂点Pに外接する楕円形状が規定される。
 素子保持部材11の外周には可撓性の円環13が装着されている。円環13の内径は、素子保持部材11の円形外周面15よりも僅かに大きい。したがって、円環13は、上記のように変形させられた固体変位素子12によって半径方向に撓められて、それらの頂点Pによって規定される楕円形状になる。図2(a)の場合には、固体変位素子12(1)、12(7)を通る直径線が長軸L1の位置となり、固体変位素子12(4)、12(10)を通る直径線が短軸L2の位置となる。
 可撓性の円環13は、可撓性の外歯歯車3の内周面に嵌め込まれている。従って、楕円形状に撓められた円環13によって外歯歯車3も楕円形状に撓められる。この結果、楕円形状の長軸L1の両端において外歯歯車3の外歯3aが内歯歯車2の内歯2aにかみ合う。
 図3には固体変位素子12の変形状態を示してある。固体変位素子12のそれぞれの変形状態を周方向に順次に変化させることにより、楕円形状が中心軸線1a(図1参照)を中心として回転し、両歯車2、3のかみ合い位置が周方向に移動する。すなわち、楕円形状の短軸位置L2を規定する固体変位素子12は徐々に収縮して半円形状12Bとなり、楕円形状の長軸位置を規定する。逆に、楕円形状の長軸位置を規定する半円形状12Bの固体変位素子12は徐々に伸長して偏平な円弧形状12Aに戻り、楕円形状の短軸位置を規定する。
 本例の波動発生器4は、上記のように円弧形状をした固体変位素子12の変形に伴う剛性の変化、変形量および変形力を利用して、大きな負荷トルクを受け持つことが可能である。この点について以下に説明する。
(固体変位素子の円弧形状の変位と半径方向剛性)
 図4(a)は固体変位素子12の円弧形状の弦方向および半径方向の変位量を示す説明図であり、図4(b)は固体変位素子12の偏平率と変位量割合の関係を示すグラフである。
 図4(b)のグラフから分かるように、円弧形状の固体変位素子12の変位量は、δx(円弧の弦方向)およびδy(円弧の半径方向)共に、半円形状に近づくほど大きい。すなわち、円弧形状の円弧半径をRとし、半円形状の半径をRoとし、円弧形状の偏平率をR/Roとすると、偏平率が1に近づくほど大きい。また、偏平率が2の辺りから小さくなるに連れて変位量割合が大きくなる。さらに、半円形状付近までは、δy>δxの関係がある。変位量δyの最大位置である凸側面の頂点Pの水平方向ずれは、半円形状に近づくにつれて小さくなることが分かる。
 本発明では、外歯歯車と内歯歯車のかみ合い位置に対応する位置に配置されている固体変位素子12が半円形状に変形する。よって、かみ合い位置において、固体変位素子12の凸側面の頂点Pが半径方向外方に大きく変位するので、外歯歯車を撓めるために必要な変位量を確保することが容易である。
 図5(a)は固体変位素子12の半径方向剛性率を示す説明図であり、図5(b)は固体変位素子12の偏平率と半径方向剛性率の関係を示すグラフである。
 図5(b)のグラフから分かるように、固体変位素子12の半径方向剛性は、偏平率が2の辺りから1に向けて増加し、半円形状に近づくと(偏平率が1に近づくと)急激に大きくなる。本発明では、両歯車2、3のかみ合い位置である楕円形状の長軸L1の位置において、固体変位素子12が半円形状に変形するので、かみ合い位置にある固体変位素子12は大きな負荷トルクを受けることができる。
 次に、図6(a)は固体変位素子12の弦方向収縮量および円弧方向収縮量を示す説明図であり、図6(b)は偏平率と収縮率の関係を示すグラフである。このグラフから分かるように、固体変位素子12を半円形状に変形させるための収縮量は、弦方向の収縮量(矢印Aに沿った方向)に比べて円弧方向の収縮量(矢印Bに沿った方向)が非常に小さい。また、円弧方向の収縮量は半円形状に近づいても微増で済む。
 上記の固体変位素子12の円弧形状の変形と剛性に基づけば、両歯車2、3のかみ合い位置である楕円形状の長軸位置において固体変位素子12を半円形状に変形させ、短軸位置において偏平な円弧形状に戻すことが望ましい。また、円弧形状の円弧半径Rと半円形状の半径Roとが以下の条件式を満たすモノモルフ型の変形素子を用いることが望ましい。
   1 < R/Ro < 2
 以上説明したように、本例によれば、外歯歯車3の内周に接する可撓性の円環13の内側に、円弧形状の固体変位素子12を円周方向に等角度間隔で複数個配置してある。各固体変位素子12を円弧形状から半円形状の間で一定の周期で繰り返し変形させることで、外歯歯車3における円周方向の各部分を繰り返し半径方向に撓めることができ、かみ合い位置を円周方向に移動させることができる。
 また、波動歯車装置1の両歯車2、3のかみ合いによる半径方向荷重が最大となる楕円形状の長軸L1付近で、固体変位素子12を半円形状に変形させている。各固体変位素子12を半円形状に変形させた場合における半径方向の剛性の強さと、変位量および変形力を利用しているので、大きな負荷トルクを受け持つことのできる波動発生器4を実現できる。
 なお、本例においては、可撓性の円環13を外歯歯車3と固体変位素子12の間に配置し、固体変位素子12の凸側面の頂面部分により円環13の内周面を押圧して、円環13を楕円形状に撓め、円環13を介して外歯歯車3を楕円形状に撓めている。円環13を省略して、固体変位素子12の凸側面の頂面部分を外歯歯車3の内周面に当接させ、固体変位素子12によって直接に外歯歯車3を撓めることも可能である。
 本例では外歯歯車3を楕円状に撓めているが、外歯歯車3を内歯歯車2に対して同時に3箇所でかみ合う形状に撓めることも可能である。また、本例では、12個の固体変位素子12を配置しているが、これ以外の個数の固体変位素子を配置してもよい。少なくとも4個以上の固体変位素子12を等角度間隔に配列すればよい。
 次に、固体変位素子12としては、図7に示すように、モノモルフ型の変形素子の代わりに、バイモルフ型の変形素子を用いることも可能である。
 また、固体変位素子として、図8に示す構成の連結型の固体変位素子を用いることも可能である。図8(b)に示すように、連結型の固体変位素子30は、第1、第2固体変位素子31、32をそれらの長さ方向の両端を相互にヒンジ結合(ピン結合)した連結端33、34を備えた偏平な筒形状にしたものである。第1、第2固体変位素子31、32は、上記の固体変位素子12と同一のものである。
 また、素子保持部材11Aの各素子保持部16Aにおいて、一方の連結端33を半径方向にのみ移動自在とし、他方の連結端34を連結端33に対して接近および離れる方向に移動自在としてある。
 したがって、連結型の固体変位素子30に通電すると、それぞれの第1、第2固体変位素子31、32が偏平な円弧形状から半円形状に変形する。この結果、連結固体変位素子30は、図8(a)に示すように円筒形状に変形した状態になる。
 このようにすれば、第1、第2固体変形素子30の凸側面が半径方向の両側を向くので、外歯歯車3を押圧する頂点Pの変位量を、単一の固体変位素子を用いる場合に比べて2倍にすることができる。
[波動発生器の別の例]
 図9(a)は波動発生器4の別の例を示す正面図であり、図9(b)はその縦断面図であり、図9(c)はその部分拡大断面図である。本例の波動発生器40の基本構成は上記の波動発生器4と同一である。よって、波動発生器40における対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。
 本例の波動発生器40では、各素子保持部16の保持面が傾斜保持面161aとなっている。傾斜保持面161aは、円形外周面15の半径線に直交する一点鎖線で示す直交面160に対して、円周方向に沿った方向に一定角度だけ傾斜した傾斜平面である。本例では、直交面160に対して、10度傾斜した傾斜平面であり、その一方の端161bから他方の端161cに向かって直交面160に対して半径方向の内側に傾斜している。
 固体変位素子12の一方の端12bは、傾斜保持面161aにおける一方の端161bにヒンジ結合され、他方の端12cは傾斜保持面161aに沿ってスライド自在である。固体変位素子12が半円形状12Bの状態では、その頂点Pが、半径線18上に位置するように設定されている。
 また、固体変位素子12が偏平な円弧形状12Aの状態では、その凸側面12aの頂点Pは最も低い位置にあり、この位置は、素子保持部材11の円形外周面15上に位置するように設定されている。これに対して、固体変位素子12が最も変形した半円形状12Bの状態では、その頂点Pは円形外周面15よりも半径方向の外方に所定量だけ突出した位置となるように設定されている。
 本例では、外歯歯車3を楕円形状に撓めるために、楕円形状の長軸L1の両端に位置する固体変位素子12、すなわち、図9(a)における固体変位素子12(1)、12(7)を半円形状12Bに変形させ、これに直交する短軸L2の両端に位置する固体変位素子12、すなわち、図2(a)における固体変位素子12(4)、12(10)を偏平な円弧形状12Aに保持する。また、固体変位素子12(4)、12(10)から固体変位素子12(7)、12(1)に向けて、各固体変位素子12を徐々に半円形状12Bに近づく方向に変形量を増加させる。これにより、各固体変位素子12の頂点Pが内接する楕円形状が規定される。
 図10は固体変位素子12の変形に伴うその頂点Pの動きを示す説明図であり、(a)は保持面として直交面160を用いた場合の説明図であり、(b1)は直交面に対して10度傾斜した傾斜保持面161aを用いた場合の説明図であり、(b2)は直交面160に対して5度傾斜した傾斜保持面162を用いた場合の説明図であり、(b3)は直交面160に対して15度傾斜した傾斜保持面163を用いた場合の説明図である。
 これらの説明図から分かるように、直交面160に保持されている固体変位素子12の変形に伴う頂点Pの移動軌跡M0は半径方向の外方に傾斜した直線状となり、半径方向への変位量はV0、半径線18に直交する方向への変位量はH0となる。これに対して、傾斜保持面161a、162、163の場合には、頂点Pの移動軌跡M1、M2、M3は一方に湾曲した曲線となる。半径方向への変位量V1、V2、V3はほぼ変位量V0と同一であるが、半径線18に直交する方向への変位量H1、H2、H3は直交面160の場合に比べて小さくなる。
 特に、本例の傾斜角が10度の傾斜保持面161aの場合には、初期の円弧形状の固体変位素子12Aの頂点Pの位置および半円形に変形した後の頂点Pの位置が、ほぼ半径線18上に位置するような移動軌跡M1を描く。したがって、外歯歯車を押圧する各固体変位素子12の頂点P(外歯歯車の内周面との接触位置)の動きは、外歯歯車の楕円運動に近くなる。この結果、楕円状輪郭の剛体プラグを用いた波動発生器による外歯歯車の変位により近い変位を、固体変位素子12を用いて外歯歯車に与えることができる。
 なお、傾斜保持面の傾斜角度は、固体変位素子の大きさ、形状、変位量、波動発生器の外径寸法等に応じて適切な角度に設定すればよい。図10(b1)に示すように、初期の円弧形状の固体変位素子12の頂点Pの位置および半円形に変形した後の頂点Pの位置が、ほぼ半径線18上に位置するように設定することが望ましい。

Claims (10)

  1.  可撓性の外歯歯車の円周方向の各部を、複数個の固体変位素子を用いて、半径方向に所定の振幅および周期で撓めて、剛性の内歯歯車に対する前記外歯歯車のかみ合い位置を円周方向に移動させ、前記外歯歯車と前記内歯歯車の歯数差に応じた相対回転を両歯車の間に生じさせる波動歯車装置の波動発生器であって、
     前記固体変位素子は、モノモルフ型あるいはバイモルフ型の長方形の板状素子を円弧形状に湾曲させたものであり、通電により、前記円弧形状から、当該円弧形状の円弧半径よりも小さな半径の半円形状に変形可能であり、
     前記半円形状に変形した前記固体変位素子によって撓められる前記外歯歯車の部分が、前記内歯歯車にかみ合うことを特徴とする波動歯車装置の波動発生器。
  2.  前記固体変位素子の前記半円形状の前記半径をRo、前記円弧半径をRとすると、
       1 < R/Ro < 2
    である請求項1に記載の波動歯車装置の波動発生器。
  3.  前記固体変位素子を保持する素子保持部材を有し、
     前記素子保持部材は、前記外歯歯車の内周面に対峙可能な円形外周面と、当該円形外周面において円周方向に等角度間隔に形成された複数の素子保持部とを備え、
     前記素子保持部には、前記固体変位素子の凸側面が、前記円形外周面の半径方向の外方を向く状態に保持され、
     前記固体変位素子における長さ方向の一方の第1端部は、移動しないように前記素子保持部にピン結合され、他方の第2端部は、前記第1端部に対して接近および離れる方向に移動が自由である、
    請求項1に記載の波動歯車装置の波動発生器。
  4.  前記素子保持部のそれぞれは、前記円形外周面の半径線に直交する直交面に対して、前記円周方向に沿った方向に傾斜する保持面を備え、
     前記固体変位素子の前記第1端部は前記保持面における前記円周方向の一方の端にヒンジ結合され、前記第2端部は前記保持面に沿ってスライド自在である請求項3に記載の波動歯車装置の波動発生器。
  5.  前記固体変位素子の前記凸側面の頂面部分は、直接、あるいは、可撓性の円環を介して、前記外歯歯車の内周面を押圧する請求項1に記載の波動歯車装置の波動発生器。
  6.  可撓性の外歯歯車の円周方向の各部を、複数個の固体変位素子を用いて、半径方向に所定の振幅および周期で撓めて、剛性の内歯歯車に対する前記外歯歯車のかみ合い位置を円周方向に移動させ、前記外歯歯車と前記内歯歯車の歯数差に応じた相対回転を両歯車の間に生じさせる波動歯車装置の波動発生器であって、
     前記固体変位素子は第1、第2固体変位素子から形成され、
     前記第1、第2固体変位素子のそれぞれは、モノモルフ型あるいはバイモルフ型の長方形の板状素子を円弧形状に湾曲させたものであり、通電により、前記円弧形状から、当該円弧形状の円弧半径よりも小さな半径の半円形状に変形可能であり、
     前記固体変位素子は、前記第1、第2固体変位素子がそれらの長さ方向の両端において相互に連結された筒形状をしており、前記第1、第2固体変位素子が前記半円形状に変形することにより、前記筒形状から円筒形状に変形し、
     前記円筒形状に変形した前記固体変位素子によって撓められる前記外歯歯車の部分が、前記内歯歯車にかみ合うことを特徴とする波動歯車装置の波動発生器。
  7.  前記固体変位素子の前記半円形状の前記半径をRo、前記円弧半径をRとすると、
       1 < R/Ro < 2
    である請求項6に記載の波動歯車装置の波動発生器。
  8.  前記固体変位素子を保持する素子保持部材を有し、
     前記素子保持部材は、前記外歯歯車の内周面に対峙可能な円形外周面と、当該円形外周面において円周方向に等角度間隔に形成された複数の素子保持部とを備え、
     前記固体変位素子は、前記第1、第2固体変位素子の凸側面が、前記円形外周面の半径方向を向き、当該半径方向への変形が可能な状態で、前記素子保持部に保持されている、
    請求項6に記載の波動歯車装置の波動発生器。
  9.  前記固体変位素子の前記半径方向の外方を向く前記凸側面の頂面部分は、直接、あるいは、可撓性の円環を介して、前記外歯歯車の内周面を押圧する請求項6に記載の波動歯車装置の波動発生器。
  10.  請求項1ないし9のうちのいずれか一つの項に記載の波動発生器を有していることを特徴とする波動歯車装置。
     
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