(57)【要約】【課題】部品点数が削減でき、低コスト、小型化に寄与できる波動減速機を提供する。【解決手段】  従来、楕円状ボディ、内輪、ボール、リテーナ、外輪で構成されていた波動減速機の波動発生器を単体もしくは少数の部材のみで構成する。  従来の転がり摩擦を原理とするものに対してすべり摩擦を原理とすることによる、摺動抵抗の増加やそれに伴う効率低下を抑制するために、波動発生器を潤滑特性の良いもので構成する。またその摺動部に局部的な面圧上昇を抑制するための面取りを設けるほか、潤滑油による潤滑特性を向上させるための溝を設けることで、実用的な減速機としての性能低下を防止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
保形力を有する第１環状部で、その環状部の内側には歯形を有し、
前記第１環状部の内周部の歯形の歯数より少ない歯形を有する外周部を備えた可撓性の第２環状部と、
前記第２環状部に内接して、前記第１環状部の歯形部と前記第２環状部の歯形部を１８０度対向する位置にて部分的に噛み合い接触させ、当該噛み合い接触部位を前記第１環状部の周方向に沿って移動させることにより、前記第１環状部と前記第２環状部とを歯形により相対回転させる波動発生部を備え、その波動発生器は動力または角度位置を伝達する部材と第２環状部と接触する部材部が１種類の材質と１個の一体部品により構成されることを特徴とした波動歯車変速装置。
【請求項２】
保形力を有する第１環状部で、その環状部の内側には歯形を有し、
前記第１環状部の内周部の歯形の歯数より少ない歯形を有する外周部を備えた可撓性の第２環状部と、
前記第２環状部に内接して、前記第１環状部の歯形部と前記第２環状部の歯形部を１８０度対向する位置にて部分的に噛み合い接触させ、当該噛み合い接触部位を前記第１環状部の周方向に沿って移動させることにより、前記第１環状部と前記第２環状部とを歯形により相対回転させる波動発生部を備え、動力または角度位置を伝達する部材と第２環状部がと接触する部材部が異なる材質で構成され、その接合部の一部は波動発生部の回転中心から離間したひとつ以上の平面で構成されることにより、動力または角度位置を伝達することを特徴とした波動歯車変速装置。
【請求項３】
前記波動発生部は、
前記第２環状部との接触面の片側、および、または両方の肩部に面取りを設け、トルク伝達による接触部の面圧の局部的な上昇を抑制したことを特徴とする、請求項１記載の波動歯車変速装置。
【請求項４】
前記波動発生部は、
前記第２環状部との接触面に、１本以上の潤滑油用の溝を設けたことを特徴とする、請求項１〜３記載の波動歯車変速装置。
【請求項５】
前記波動発生部の１本以上の潤滑油用溝は、
波動発生器の回転軸を中心とした円筒面に沿って、設けたことを特徴とする、請求項４記載の波動歯車変速装置。
【請求項６】
前記波動発生部の１本以上の潤滑油用溝は、
波動発生器の回転軸に対して平行に設けたことを特徴とする、請求項４記載の波動歯車変速装置。
【請求項７】
前記波動発生部の潤滑油用溝は、
波動発生器の回転軸に対して平行およびそれに直交して設けたことを特徴とする、請求項４記載の波動歯車変速装置。
【請求項８】
保形力を有する第１環状部で、その環状部の内側には歯形を有し、
前記第１環状部の内周部の歯形の歯数より少ない歯形を有する外周部を備えた可撓性の第２環状部と、
前記第２環状部に対向する２か所の部位を有し、その部位以外では内接しない部分を有し、前記第１環状部の歯形部と前記第２環状部の歯形部を１８０度対向する位置にて部分的に噛み合い接触させ、当該噛み合い接触部位を前記第１環状部の周方向に沿って移動させることにより、変速を実現することを特徴とした波動歯車変速装置。
【請求項９】
前記波動発生部と前記第２環状部とが接触する部位は、面接触となっていることを特徴とする、請求項８記載の波動歯車変速装置。
【請求項１０】
前記波動発生部と前記第２環状部とが接触する部位は、点接触となっていることを特徴とする、請求項８記載の波動歯車変速装置。
【請求項１１】
前記請求項１〜１０について、減速機構を歯形を利用した波動歯車減速機の原理に代えて、周長差を原理とした摩擦電動式の波動式摩擦減速機に用いたことを特徴とした波動発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業界での動力や位置の伝達に用いられる減速装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、部材の波動を用いた撓み噛み合い式変速装置は、特許文献１に記載されるように、保形力を有するサーキュラスプラインと、前記サーキュラスプラインの内周部に形成された内歯の歯数より少ない歯数の外歯が形成された可撓性のフレックススプラインと、前記フレックススプラインに内接して、前記サーキュラスプラインの内歯に前記フレックススプラインの外歯を部分的に噛み合わせ、当該噛み合い位置を前記第１環状部の周方向に沿って移動させることにより、前記サーキュラスプラインと前記フレックススプラインと相対回転させる波動発生装置（ウェーブジェネレータ）とを備えて構成されていた。
【０００３】
このような撓み噛み合い式変速装置は波動歯車減速機と呼ばれ、サーキュラスプライン、フレックススプライン、波動発生装置の３つの基本部品で構成できるため小型、軽量であるとともに高い変速比が得られることから、ロボットアームやロボットハンドの駆動機構に広く用いられてきた。
【０００４】
しかし、空間的制約の厳しい多関節ロボットフィンガーの駆動機構などでは、さらに、小型、軽量で高変速比の変速装置が求められている。従来の変速装置ではその小型化のために極めて小さい歯形や小型の波動発生器を用いるが、波動発生装置の構成部品の単体精度、および組立寸法精度を極めて高精度にする必要があり、従来の機械加工技術でこれに対応することは極めて困難であるため、変速装置の小型化に限界があった。
【０００５】
代表的な波動歯車減速機の波動発生器は、楕円状のボディの外周部に複数のボールが接触する転動面を持つ内輪が装着され、それらボールの外周部にボールが接触する転動面を持つ外輪を持ち、減速機の入力軸をその楕円状ボディに接続することで、外輪部に波動動作を発生させている。波動動作はすなわち、楕円状ボディの形状をボールを介して外輪部を変形させる動作である。
【０００６】
波動歯車減速機の変速の原理は、内側に複数、たとえば１０２個の歯形を有するサーキュラスプラインに対して、１０２から２を差し引いた、１００枚の歯形を有するフレックススプラインが、その歯数の違いにより、１８０度対向する位置でのみ噛み合い、その噛み合い位置から90度の位置では噛み合わない状態のものが、楕円状の外輪を変形させる波動発生器の変形動作によって噛み合い位置を変化させていくことによるものである。
【０００７】
波動発生器の一例では、内輪と外輪の間には２３個のボールが配置され、ボール同士の相対位置を規制するリテーナと合わせて構成されている。つまり、楕円状のボディ、内輪、２３個のボール、リテーナ、外輪が最小の構成要素であり、部品の種類としては５種類、個数としては２７個の部品が最低限の構成となる。
【０００８】
そこで、この波動発生器を簡素化にすることが波動歯車減速機のコストダウン、および小型化に大きく影響する。しかしながら、ころがり摩擦を原理として用いる前述の波動発生器に対して、簡素化するにはすべり摩擦を原理にするなどをする必要があり、減速機としての効率の低下や、摩擦損失の増大をまねいており、実用化の例は見当たらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】実公平５−１９６３５号公報
【特許文献２】特開２００３−２０７００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明では、前述の波動発生器を簡素化することで、部品点数を削減し、コスト低減を図り、また小型化を容易とするものである。
【００１１】
部品点数の削減のひとつの方法としては、波動発生器を単体の楕円状形状とすることが容易に考えられるが、従来の波動発生器がボールのころがり摩擦の原理を用いたものに対して、すべり摩擦となり、一般的に摩擦係数は相対的に大きくなる。
【００１２】
また、すべり摩擦を原理としたものは接触部の摩耗も発生しやすくなり、減速機としての寿命が短くなる問題点もあった。
【００１３】
また、接触面は動作時にトルクを伝達することから極めて高い面圧が発生し、一般的に潤滑材の枯渇が起きる問題もあった。
【００１４】
本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、部品点数を従来に対して大幅に削減することで、小型化が容易で、かつ安価な変速装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明では、前述の従来の波動歯車減速機の波動発生器が複数の部品で構成されているものを部品点数を削減し一体構造、若しくは必要最小限の部品点数で実現するものである。
部品点数の削減に伴う、減速機としての効率や摺動抵抗の増加といった課題を、構成材質の最適化、表面改質、細部形状の最適化によって実用化レベルの性能を確保しようとするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のひとつは、波動発生器、もしくはその表面を自己潤滑性のを有する材質とすることで、摩擦係数を低減し、摺動抵抗の低減と減速機の効率向上を図る。
【００１７】
本発明のひとつは、波動発生器の形状を潤滑性能が高くなるようにすることで、摩擦係数を低減し、摺動抵抗の低減と減速機の効率向上を図る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図1（ａ）は従来型の波動歯車減速装置の正面図、図1（ｂ）は従来型の波動歯車減速装置の側断面図
【図２】図２（ａ）は本発明の波動歯車減速装置の正面図、図２（ｂ）は本発明の波動歯車減速装置の側断面図
【図３】図３（ａ）は本発明の波動歯車減速装置の波動発生器の正面図、図３（ｂ）は本発明の波動歯車減速装置の波動発生器の断面図（実施例１）
【図４】図４（ａ）は本発明の波動歯車減速装置の波動発生器の正面図、図４（ｂ）は本発明の波動歯車減速装置の波動発生器の断面図、図４（ｃ）は本発明の波動歯車減速装置の波動発生器の背面図（実施例２）
【図５】図５（ａ）は本発明の波動歯車減速装置の波動発生器の正面図、図５（ｂ）は本発明の波動歯車減速装置の波動発生器の断面図（実施例３）
【図６】図６（ａ）は本発明の波動歯車減速装置の波動発生器の正面図、図６（ｂ）は本発明の波動歯車減速装置の波動発生器の断面図（実施例４）
【図７】本発明の波動歯車減速装置の波動発生器の単体図（実施例５）
【図８】本発明の波動歯車減速装置の波動発生器の単体図（実施例６）
【図９】本発明の実施例７の波動発生器を用いた波動歯車減速装置（実施例７）
【図１０】本発明の実施例８の波動発生器を用いた波動歯車減速装置（実施例８）
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明による波動減速機の波動発生器の実施の形態を説明する。
【００２０】
本発明を説明するために、従来型の波動歯車減速機について図1によって説明する。
符号１は波動歯車減速機のサーキュラスプラインと呼ばれるもので、減速比によってその歯数が異なるが、本説明においては、減速比５０を得るために１０２の歯数で構成されたもので説明する。  符号2はフレックススプラインと呼ばれるもので、可撓性を有する薄肉の部材で構成されており、サーキュラスプラインとの接触部は符号１１の１００個の歯形で構成されており、符号１０のサーキュラスプラインの歯形部と接触し噛み合っている。
波動歯車減速機の波動発生器は符号３、４、５、６，７で構成されており、符号４の楕円状のボディの外周部に符号６の２３個のボールと、それと接触する転動面を持つ符号５の内輪が装着され、また符号６のボールに接触する転動面を持つ符号３の外輪を持つ。本変速装置は、固定部、入力軸、出力軸の役割を変えることで、変速比が変化する特性を持つが、本説明では、符号１を固定部として、符号８が入力軸、符号９が出力軸となる構成で説明を行う。
入力軸が１回転するとサーキュラスプラインとフレックススプラインの歯数差を分子とし、フレックススプラインの歯数を分母とした比率分だけ、フレックススプラインが反対側に回転することで、本例では減速比５０の減速機としての役割を果たす。
【００２１】
上記の減速機能を実現するためには、サーキュラスプラインとフレックススプラインはその一部のみが噛み合い、その位置が順次移動していく動作が必要となる。そのため、波動発生器の外周部、すなわち符号３のフレックススプラインとの接触部は楕円状の輪郭をしている必要があり、１８０度対向する位置でのみ噛み合い、その噛み合い位置から90度の位置では噛み合わない状態を作り出すことで、減速機としての機能を実現している。
符号３の輪郭が楕円状であるために、符号４が楕円状である必要があり、よって符号3と符号５はほぼ均等の距離となっている。ちなみに符号3と符号２の接触部の長さはほぼ同一となっているがこれは減速機能の実現においては必須ではない。
【００２２】
前述の本説明における波動歯車減速機の波動発生器は符号３、４、５、６，７で構成されており、内輪と外輪の間には２３個のボールが配置され、ボール同士の相対位置を規制するリテーナと合わせて構成されている。つまり、楕円状のボディ、内輪、２３個のボール、リテーナ、外輪が最小の構成要素であり、部品の種類としては５種類、個数としては２７個の部品が最低限の構成となる。
【実施例１】
【００２３】
図２は本発明における実施例１を示したものである。
符号２１は波動歯車減速機のサーキュラスプラインで、減速比によってその歯数が異なるが、本説明においては、減速比５０を得るために１０２の歯数で構成されたもので説明する。  符号２２はフレックススプラインで、可撓性を有する薄肉の部材で構成されており、サーキュラスプラインとの接触部は符号２５の１００個の歯形で構成されており、符号２４のサーキュラスプラインの歯形部と接触し噛み合っている。
波動歯車減速機の波動発生器は符号２３で構成されており、従来の波動発生器が楕円状のボディ、２３個のボール、内輪、外輪、リテーナで構成されているのに対して、ひとつのボディで構成されていることを特徴とする。本変速装置は、固定部、入力軸、出力軸の役割を変えることで、変速比が変化する特性を持つが、本説明では、符号２１を固定部として、符号２８が入力軸、符号２９が出力軸となる構成で説明を行う。
入力軸が１回転するとサーキュラスプラインとフレックススプラインの歯数差を分子とし、フレックススプラインの歯数を分母とした比率分だけ、フレックススプラインが反対側に回転することで、本例では減速比５０の減速機としての役割を果たす。
本実施例では、歯車の歯数の差による波動歯車減速機構を用いた例を示しているが、歯車の歯数に変えて、接触部の周長差による摩擦を利用した波動減速機構においても同様の効果が得られる。
【００２４】
本発明では、この単体ボディの波動発生器について、すべり摩擦を原理とすることによる、摺動抵抗の増加を抑制し、減速機としての性能を高めるために、本部材を樹脂製としたことが大きな特徴である。本実施例では、摩擦係数が極めて低い、４フッ化エチレン樹脂（通称PTFE）を用いている。この部分は耐久性やコストを考慮して、ナイロン系やポリアセタールといった自己潤滑特性の良い樹脂への変更も考えられる。また、潤滑性能の向上のため、摺動部に前述の樹脂やDLC（ダイヤモンドライクコーティング）、２硫化モリブデンといった素材のコーティングによる表面改質への変更も考えられる。
【００２５】
図３は実施例１の波動発生器の断面形状を示す。フレックススプラインとの接触部の断面形状はエッジ部が約９０度となっている。
【実施例２】
【００２６】
図４は波動発生器の実施例２を示したものである。符号３１は潤滑性能を高めるために樹脂とすると、入力軸部は相対的に小径となるため、強度が低下する。そこで符号32で示す軸部との２つの部材で構成することで、フレックススプラインとの摺動部は潤滑性が高いが強度が不足しがちな樹脂製とし、軸部は強度を高くできる金属製とすることができる。しかしながら単純に２つの部材で構成するだけではトルクの伝達においてスリップが生じたり、角度伝達精度が悪化する要因となる。そこで本発明では、符号３１と符号３２を直線部を有する穴と溝で勘合させることで、角度伝達精度の悪化を防ぎ、かつ正転、逆転時のガタ（＝バックラッシ）がなく、また所定のトルクの伝達を実現する。また、この方法は減速機の小型化においても有効であり、一般的なキーや止めねじを用いるよりも、小型でありながら大きなトルクを伝達することに有効である。
【実施例３】
【００２７】
図５は波動発生器の実施例３を示したものである。図3の実施例１のものに対して、エッジ部が符号３３、３４のようにゆるやかな面取りをされていることが特徴である。この面取りは、フレックススプラインとの接触部の局部的な面圧上昇の抑制に寄与するため、減速機としての効率の向上に大きく寄与する。
【実施例４】
【００２８】
図６は波動発生器の実施例４を示したものである。図５の実施例３のものに対して、フレックススプラインとの接触部の潤滑特性を高めるために、潤滑油を保持し導くための溝を設けたことが特徴である。潤滑油の局部的な面圧上昇の抑制に寄与するため、減速機としての効率の向上に大きく寄与することが実験によって確認されている。
この溝は実施例４では、回転軸に対して直交する平面に平行に設けられているが、平行位置から幾分傾けた位置に設けることも考えられる。
【実施例５】
【００２９】
図７は波動発生器の実施例５を示したものである。図６の実施例４のものに対して、フレックススプラインとの接触部の潤滑特性を高め、潤滑油を保持し導くための溝が、９０度直交する方向に設けたことが特徴である。潤滑油の局部的な面圧上昇の抑制に寄与するため、減速機としての効率の向上に大きく寄与する。
この溝は実施例５では、回転軸に対して平行に設けられているが、平行位置から幾分傾けた位置に設けることも考えられる。
【実施例６】
【００３０】
図８は波動発生器の実施例６を示したものである。図６の実施例４と、図７の実施例５のものを合わせた構造である。フレックススプラインとの接触部の潤滑特性を高め、潤滑油を保持し導くための溝が、回転軸に対して平行の方向、および９０度直交する方向に合わせて設けたことが特徴である。潤滑油の局部的な面圧上昇の抑制に寄与するため、減速機としての効率の向上に大きく寄与する。
この溝は実施例６では、回転軸に対して平行および９０度直交する位置に設けられているが、各々をそれぞれから幾分傾けた位置に設けることも考えられる。
【実施例７】
【００３１】
図９は波動発生器の実施例７を示したものである。符号４２に内接する符号４４の波動発生器は、実施例１においては全周に渡って接していたのに対して、図９に示すように、１８０度対向した位置でのみ接触部があり、接触部から９０度傾いた位置では空隙が設けられている。
これによって、符号４２と符号４４の接触面積を適切なものとすることができる。また図では対向する位置の２か所で接触しているが、減速機の機能を実現するためには円周上の１か所のみでも実現できる。
【実施例８】
【００３２】
図１０は波動発生器の実施例８を示したものである。符号４２に内接する符号４５の波動発生器は、実施例１においては全周に渡って接していたのに対して、図１０に示すように、１８０度対向した位置でのみ接触部があり、接触部から９０度傾いた位置では空隙が設けられている。さらにこの接触部は実施例７の場合は面で接触していたのに対して、線接触状態となっていることが異なる点である。これによって、符号４２と符号４５の接触面積を適切なものとすることができる。この接触面積は変速装置の使用条件や構成材質によっても適切なものが異なるため、最も接触面積を小さくするためには線接触ではなく、点接触の状態とすることも考えられる。
また図では対向する位置の２か所で接触しているが、減速機の機能を実現するためには円周上の１か所のみでも実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
工場などで使用される産業用ロボットや各種メカトロニクス機器において使用できる。
【符号の説明】
【００３４】
１：サーキュラスプライン
２：フレックススプライン
３：外輪
４：楕円状ボディ
５：内輪
６：ボール
７：リテーナ
８：波動歯車減速機の軸（本書の使用例では入力軸）
９：波動歯車減速機の軸（本書の使用例では出力軸）
１０サーキュラスプラインの内歯車部
１１：フレックススプラインの外歯車部
２１：サーキュラスプライン
２２：フレックススプライン
２３：波動発生器
２４：サーキュラスプラインの内歯車部
２５：フレックススプラインの外歯車部
２８：波動歯車減速機の軸（本書の使用例では入力軸）
２９：波動歯車減速機の軸（本書の使用例では出力軸）
３０：波動発生器の外周部
３１：波動発生器の摺動部材
３２：波動発生器の軸部
３３：テーパ部
３４：テーパ部
３５：潤滑材用溝
３６：潤滑材用溝
３７：潤滑材用溝
４１：サーキュラスプライン
４２：フレックススプライン
４４：波動発生器
４５：波動発生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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