(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状の剛性内歯車と、この内側に配置された可撓性外歯車と、この内側に嵌めた波動発生器とを有し、前記可撓性外歯車は、可撓性の円筒状胴部と、この円筒状胴部の後端から半径方向に延びている円環状のダイヤフラムを備え、前記円筒状胴部の前端開口部側の部位に形成されている歯部が、前記波動発生器によって、そのダイヤフラム側の後端部からその開口側の前端部に掛けて、前記ダイヤフラムからの距離にほぼ比例した撓み量が生ずるように楕円状に撓められる波動歯車装置において、
前記剛性内歯車をモジュールｍの円錐歯車とし、
前記可撓性外歯車を、モジュールｍの平歯車とし、
前記可撓性外歯車の歯数を前記剛性内歯車の歯数より２ｎ枚（ｎは正の整数）少なくし、
楕円状に撓める前の前記可撓性外歯車のリム中立円が、当該可撓性外歯車を楕円状に撓めることにより楕円状に変形した後の形状を、楕円状リム中立線と呼ぶものとし、
前記可撓性外歯車の歯の歯筋方向における各軸直角断面において、当該可撓性外歯車の前記楕円状リム中立線の長軸の撓み量を２κｍｎ（κ＞１）とし、
前記可撓性外歯車の歯の歯筋方向における中間部における軸直角断面（以下、主断面と称する。）において、前記剛性内歯車および前記可撓性外歯車の歯の噛み合いをラック噛み合いで近似し、前記波動発生器の回転に伴う前記可撓性外歯車の歯の前記剛性内歯車の歯に対する移動軌跡を求め、
当該移動軌跡において、前記剛性内歯車の半径線に対する傾斜角が９０°となっている両歯車の噛み合いの最深位置から、両歯車の噛み合いの離脱側にかけて、前記傾斜角がα（０°＜α＜３０°）の位置に至るまでの曲線部分を採り、
前記曲線部分をλを実数としてλ倍に拡大した第１相似曲線を前記可撓性外歯車の歯形として採用し、
前記曲線部分を（λ＋１）倍に拡大した第２相似曲線を前記剛性内歯車の歯形として採用することを特徴とする波動歯車装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記曲線部分を前記最深位置を起点として（λ＋１）倍して得られる前記第２相似曲線の先端が、前記移動軌跡上に位置するように、前記λの値を決定することを特徴とする波動歯車装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記曲線部分を前記最深位置を起点として（λ＋１）倍して得られる前記第２相似曲線の先端が、前記移動軌跡の最大振幅点に位置するように、前記λおよびαの値を決定することを特徴とする波動歯車装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、
前記可撓性外歯車の変形後の長軸を含む軸断面上で、当該可撓性外歯車の歯底に一定の隙間で平行に対峙するように、前記剛性内歯車の歯の歯先を形成することを特徴とする波動歯車装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
前記剛性内歯車および前記可撓性外歯車の歯数はそれぞれ１６０以上である波動歯車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波動歯車装置に関し、特に、高減速時のラチェティングを防止可能な歯形を有する波動歯車装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波動歯車装置は、Ｃ．Ｗ．Ｍｕｓｓｅｒによって発明され（特許文献１）、それ以来、今日まで同氏を始め、本願の発明者を含め多くの研究者によって各種の波動歯車装置についての発明がなされている。波動歯車装置の歯形に関する発明に限っても、各種のものが提案されている。例えば、本願の発明者は、波動歯車装置の構成部品である剛性内歯車および可撓性外歯車の基本歯形をインボリュート歯形とすることや（特許文献２）、剛性内歯車と可撓性外歯車の歯の噛み合いをラックで近似する手法で、広域接触を行う両歯車の歯末歯形を導く歯形設計法を提案している（特許文献３、４）。一方、ラック近似で生ずる歯形干渉を回避する発明も提案されている（特許文献５）。
【特許文献１】米国特許第２９０６１４３号公報
【特許文献２】特公昭４５−４１１７１号公報
【特許文献３】特開昭６３−１１５９４３号公報
【特許文献４】特開昭６４−７９４４８号公報
【特許文献５】特開平７−１６７２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
波動歯車装置では、その両歯車の歯数が例えば１６０を超える高減速比の場合、高負荷トルク時に歯飛び現象、所謂ラチェティングが発生するおそれがある。しかしながら、連続的な接触を保ちながらラチェティングを防止可能な歯形についての具体的な提案は何らなされていない。【０００４】
高負荷トルク時のラチェティングを防止するためには、波動歯車装置の両歯車の歯たけをできるだけ大きくする必要がある。また、両歯車の噛み合い領域を広げてトルク容量を上げる必要がある。【０００５】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、高負荷トルク時のラチェティングを防止するために、歯たけが大きく、しかも、連続接触状態で噛み合い可能な歯形を有する波動歯車装置を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明は、円環状の剛性内歯車と、この内側に配置された可撓性外歯車と、この内側に嵌めた波動発生器とを有し、前記可撓性外歯車は、可撓性の円筒状胴部と、この円筒状胴部の後端から半径方向に延びている円環状のダイヤフラムを備え、前記円筒状胴部の開口端側の部位に形成されている歯部が、前記波動発生器によって、そのダイヤフラム側の後端部からその開口端側の前端部に掛けて、前記ダイヤフラムからの距離にほぼ比例した撓み量が生ずるように楕円状に撓められる波動歯車装置において、
前記剛性内歯車をモジュールｍの円錐歯車とし、
前記可撓性外歯車を、モジュールｍの平歯車とし、
前記可撓性外歯車の歯数を前記剛性内歯車の歯数より２ｎ枚（ｎは正の整数）少なくし、
楕円状に撓める前の前記可撓性外歯車のリム中立円が、当該可撓性外歯車を楕円状に撓めることにより楕円状に変形した後の形状を、楕円状リム中立線と呼ぶものとし、
前記可撓性外歯車の歯の歯筋方向における各軸直角断面において、当該可撓性外歯車の前記楕円状リム中立線の長軸の撓み量を２κｍｎ（κ＞１）とし、
前記可撓性外歯車の歯の歯筋方向における中間部における軸直角断面（以下、主断面と称する。）において、前記剛性内歯車および前記可撓性外歯車の歯の噛み合いをラック噛み合いで近似し、前記波動発生器の回転に伴う前記可撓性外歯車の歯の前記剛性内歯車の歯に対する移動軌跡を求め、
前記移動軌跡における長軸から歯の離脱側にかけて、当該移動軌跡において、前記剛性内歯車の半径線に対する傾斜角が９０°となっている両歯車の噛み合いの最深位置から、両歯車の噛み合いの離脱側にかけて、前記傾斜角がα（０°＜α＜３０°）の位置に至るまでの曲線部分を採り、
前記曲線部分をλを実数としてλ倍に拡大した第１相似曲線を前記可撓性外歯車の歯形として採用し、
前記曲線部分を（λ＋１）倍に拡大した第２相似曲線を前記剛性内歯車の歯形として採用することを特徴としている。
【０００７】
傾斜角αは、得られる歯形の、可撓性外歯車では歯元の、剛性内歯車では歯先の最小圧力角に相当する。この傾斜角αは、実用的には、０°から１５°の範囲内の値とすることが望ましい。【０００８】
ここで、高ラチェティングトルクを得るためには、できるだけ歯たけを大きくする必要がある。このためには、λをできるだけ大きくすることである。λの最大値は剛性内歯車の歯先が移動軌跡上に来る位置であり、λをこれ以上大きくすると両歯車の歯先が干渉してしまう。したがって、本発明においては、前記曲線部分を前記最深位置を起点として（λ＋１）倍して得られる前記第２相似曲線の先端が、前記移動軌跡上に位置するように、前記λの値を決定することが望ましい。【０００９】
また、λの最大値の極値は移動軌跡の最大振幅の箇所を剛性内歯車の歯先に選んだ場合となる。したがって、本発明においては、前記曲線部分を前記最深位置を起点として（λ＋１）倍して得られる前記第２相似曲線の先端が、前記移動軌跡の最大振幅点に位置するように、前記λおよびαの値を決定することが望ましい。【００１０】
さらに、本発明では、可撓性外歯車の主断面以外の部位においても両歯車の有効な噛み合いを保持できるように、前記剛性内歯車を円錐歯車としている。この場合、可撓性外歯車の歯の歯筋方向における主断面以外の各軸直角断面においても、高歯の噛み合いが維持できるようにするためには、次のようにすることが望ましい。すなわち、可撓性外歯車の変形後の長軸を含む軸断面上で、当該可撓性外歯車の歯の歯底に剛性内歯車の歯先が所定の隙間で平行に沿うように、当該剛性内歯車を形成する。【００１１】
次に、本発明は、両歯車の歯数が１６０以上となるような高減速比の波動歯車装置に用いるのに適している。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明の波動歯車装置では、その剛性内歯車および可撓性外歯車の歯の歯たけが撓み量に関係することから、可撓性外歯車の半径方向の撓み量を、歯筋方向の全範囲に亘って、正規の撓み量である２ｍｎより大きな２κｍｎ（κ＞１）としている。また、主断面における両歯車の歯の噛み合いの移動軌跡をラックで近似し、ラックの移動軌跡の頂点である最深の噛み合い位置より噛み合いの後段の離脱側の曲線を相似に拡大した曲線を、両歯車の基本歯形として用いることにより、両歯車を連続接触させるようにしている。したがって、両歯車の歯を、歯筋方向の全てにおいて高歯たけに維持することができ、しかも、歯筋方向の全ての軸直角断面で、噛み合いの最深部の長軸に達した以後の領域での噛み合いを実現できる。【００１３】
また、可撓性外歯車を平歯車、剛性内歯車を所定形状の円錐歯車としているので、必要な作用歯たけを確保することができる。【００１４】
よって、本発明によれば、高負荷トルク時のラチェティングを防止可能な負荷トルク性能の高い波動歯車装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した波動歯車装置を説明する。【００１６】
（波動歯車装置の構成）
図１は本発明の対象である波動歯車装置の正面図であり、図２はその可撓性外歯車の開口部を楕円状に撓ませた状況を含軸断面で示す断面図であり、（ａ）は変形前の状態、（ｂ）は変形後における楕円形の長軸を含む断面、（ｃ）は変形後における楕円の短軸を含む断面をそれぞれ示してある。なお、図２において実線はコップ状の可撓性外歯車を示し、破線はシルクハット状の可撓性外歯車を示す。【００１７】
これらの図に示すように、波動歯車装置１は、円環状の剛性内歯車２と、その内側に配置された可撓性外歯車３と、この内側にはめ込まれた楕円形輪郭の波動発生器４とを有している。剛性内歯車２と可撓性外歯車３の歯数差は２ｎ（ｎは正の整数）であり、波動歯車装置１の可撓性外歯車３は、楕円形輪郭の波動発生器４によって楕円形に撓められ、楕円形の長軸Ｌ１方向の両端部分において剛性内歯車２に噛み合っている。波動発生器４を回転すると、両歯車２、３の噛み合い位置が周方向に移動し、両歯車の歯数差に応じた相対回転が両歯車２、３の間に発生する。可撓性外歯車３は、可撓性の円筒状胴部３１と、その後端３１ａに連続して半径方向に広がるダイヤフラム３２と、ダイヤフラム３２に連続しているボス３３と、円筒状胴部３１の開口端３１ｂの側の外周面部分に形成した外歯３４とを備えている。【００１８】
円筒状胴部３１の外歯形成部分の内周面部分にはめ込まれた楕円形輪郭の波動発生器４によって、円筒状胴部３１は、そのダイヤフラム側の後端３１ａから開口端３１ｂに向けて、半径方向の外側あるいは内側への撓み量が漸増している。図２（ｂ）に示すように、楕円形の長軸Ｌ１を含む断面では外側への撓み量が後端３１ａから開口端３１ｂへの距離に比例して漸増し、図２（ｃ）に示すように、楕円形の短軸Ｌ２を含む断面では内側への撓み量が後端３１ａから開口端３１ｂへの距離に比例して漸増している。【００１９】
したがって、開口端３１ｂ側の外周面部分に形成されている外歯３４の部分（歯部）も、その歯筋方向の後端部３４ａから開口端側の前端部３４ｂに向けて、円筒状胴部後端３１ａからの距離に比例して撓み量が漸増している。【００２０】
（主断面における歯形の形成方法）
図３は波動歯車装置１の両歯車２、３の相対運動をラックで近似した場合に得られる、剛性内歯車２に対する可撓性外歯車３の歯の移動軌跡を示す図である。この移動軌跡Ｍは、両歯車の歯形形成の基礎となる主断面を、可撓性外歯車３の外歯３４の歯筋方向における後端部３４ａと前端部３４ｂの中間部の軸直角断面（図２において線分Ｓで示す位置の断面）とし、この主断面Ｓにおいて得られるものである。歯車３の歯の移動軌跡Ｍは次式で与えられる。
ｘ＝０．５ｍｎ（θ−κｓｉｎθ）
ｙ＝κｍｎ（１−ｃｏｓθ）【００２１】
ここで、κは「１」より大きい撓み係数であり、ｍはモジュールである。なお、可撓性外歯車３の移動軌跡Ｍの全振幅は２κｍｎである。【００２２】
図４は歯の移動軌跡Ｍのループ部に設定した利用範囲を示す説明図である。噛み合いの最深部の点Ａから噛み合いの離脱部に掛けて、ｙ軸（剛性内歯車の半径線）に対してなす移動軌跡Ｍの接線の傾斜角（圧力角）が９０度である最深位置の点Ａから角度αの点Ｂに到る曲線部分ＡＢを採る。一般的には角度αの範囲は０°＜α＜３０°であり、実用的には、０°＜α＜１５°である。【００２３】
この曲線部分ＡＢを利用して以下に述べるように歯形を求める。正偏位（κ＞１）の噛み合いは可撓性外歯車３の歯が剛性内歯車２の歯溝に入り最深位置Ａに達するまでは接触せず、噛み合いから抜ける離脱側で初めて内歯車２の歯面に接触する。【００２４】
次に、図５（ａ）に示すように、使用範囲の移動軌跡、すなわち曲線部分ＡＢをλ倍（λは実数）した第１相似曲線ＡＣを可撓性外歯車３の歯形として採用する。また、曲線部分ＡＢを（λ＋１）倍した第２相似曲線ＡＤを剛性内歯車２の歯形として採用する。このように決定した両歯形は、図５（ｂ）に原理を示すように、相似の性質から曲線部分ＡＢの間で連続的に噛み合うことができる。【００２５】
ここで、ラチェティングトルクを高めるためには、できるだけ歯たけを大きくすることが必要である。このためには、λをできるだけ大きくする。その最大値は剛性内歯車２の歯先が移動軌跡Ｍ上に来る位置である。これ以上大きくすると両歯車の歯先が干渉する。図５（ａ）はこの場合を示してある。λの最大値の極値は移動軌跡Ｍの最大振幅の箇所を、剛性内歯車２の歯先に選んだ場合となる。【００２６】
すなわち、λの最大値の極大値に関係する角度α（圧力角）の値は、理論上、次の式から求めることができる。
ｔａｎα＝０．５（１−κｃｏｓｔ）／（κｓｉｎｔ）
ここで、移動軌跡Ｍの倍率（λ＋１）は次の値となる。
λ＋１＝２κｍ／κｍ／（１−ｃｏｓｔ）＝２／（１−ｃｏｓｔ）
また、ｔの値は次式から得られる値である。
ｔ−κｓｉｎｔ＋０．５πｃｏｓｔ−０．５π＝０【００２７】
一例として、撓み係数κ＝１．４とすると、ｔ＝−２６．１２７２°、α＝１１．７７１２°、λ＝１８．５７３０°になる。【００２８】
（主断面以外の軸直角断面位置の歯形）
上記の説明は、可撓性外歯車３の主断面、すなわち、その歯の歯筋方向の中間部の軸直角断面における歯形の形成方法に関するものである。主断面以外の軸直角断面においても有効な噛み合いを保持するために、次のように歯形を形成すればよい。【００２９】
まず、可撓性外歯車３における歯筋方向の後端部３４ａにおける楕円状リム中立線の長軸の撓み量を２κｍｎ（κ＞１）とする。換言すると、可撓性外歯車３の歯を正偏位の歯形とする。この結果、歯筋方向の全ての軸直角断面において、両歯車の歯は、噛み合いの最深部の長軸に達した以後の領域で噛み合うことになる。【００３０】
次に、開口側の前端部３４ｂから後端部３４ａまでの歯筋方向の各断面で、高歯の噛み合いが維持できるように、可撓性外歯車３をモジュールｍの平歯車とし、剛性内歯車２をこれに噛み合い可能な円錐歯車とする。ここで、図６に示すように、波動発生器４の長軸を含む軸断面上において（すなわち、楕円形に撓められた可撓性外歯車３の長軸を含む断面上において）、可撓性外歯車３の歯の歯底３０１に、一定の隙間で平行に対峙するように、剛性内歯車２の歯先２０１を形成する。なお、図６の想像線は可撓性外歯車３の変形前の状態を示してある。【００３１】
図７ないし図１０は、このように形成した歯形の噛み合い状態の例を示す説明図である。これらの図においては、両歯車２、３の噛み合いを、ラック近似により、剛性内歯車２の一歯に対する可撓性外歯車３の相対的な動きとして示してある。図７は主断面の噛み合い状態を示し、この図において「フレクス歯形」は可撓性外歯車の歯形を表し、「サークス歯形」は剛性内歯車の歯形を表している。図８は、前端部３４ｂにおける長軸位置を過ぎてからの後段の噛み合いを展開図として示すものであり、両歯車の歯たけを最大とした場合である。図９は、歯筋中央の断面における噛み合いの展開図であり、図１０は歯筋方向の後端部３４ａにおける噛み合いの展開図である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の対象である波動歯車装置の概略正面図である。
【図２】可撓性外歯車の撓み状況を含軸断面で示す説明図であり、（ａ）は変形前の状態、（ｂ）は楕円形に変形した後の長軸を含む断面であり、（ｃ）は短軸を含む断面である。
【図３】本発明の歯形形成の基礎となるκ＞１の場合のラックの移動軌跡である。
【図４】図３の移動軌跡のうち歯形形成のために利用する範囲を示す説明図である。
【図５】両歯車の歯形設定の例を示す説明図である。
【図６】実施の形態１における主断面以外での有効な噛み合いを実現するために採用した両歯車の歯の形状を示す説明図である。
【図７】両歯車の主断面における噛み合いを示す説明図である。
【図８】両歯車の歯筋開口側前端部の軸直角断面における噛み合いの展開図である。
【図９】両歯車の歯筋中央の軸直角断面における噛み合いの展開図である。
【図１０】両歯車の歯筋後端部の軸直角断面における噛み合いの展開図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  波動歯車装置
２  内歯車
３  外歯車
３１ａ  後端
３１ｂ  開口端
３４  外歯
３４ａ  歯筋方向の後端部
３４ｂ  歯筋方向の前端部
２０１  歯先
３０１  歯底
４  波動発生器
Ｍ  移動軌跡
ＡＢ  歯形設定に用いる曲線部分
ＡＣ  第１相似曲線
ＡＤ  第２相似曲線
Ａ  移動軌跡の最深位置
Ｂ  移動軌跡上における接線の傾斜角がαの点
Ｓ  主断面
【図１】
0004650953.tif 000002
【図２】
0004650953.tif 000003
【図３】
0004650953.tif 000004
【図４】
0004650953.tif 000005
【図５】
0004650953.tif 000006
【図６】
0004650953.tif 000007
【図７】
0004650953.tif 000008
【図８】
0004650953.tif 000009
【図９】
0004650953.tif 000010
【図１０】
0004650953.tif 000011