(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向に撓み可能な円筒の外周面に形成した所定の歯数の第１外歯、および、前記円筒の前記外周面において前記第１外歯とは軸線方向における異なる位置に形成した所定の歯数の第２外歯を備えた外歯歯車と、
前記第１外歯を同心状に取り囲む位置に配置され、前記第１外歯にかみ合い可能な第１内歯を備えた剛性の第１内歯歯車と、
前記第２外歯を同心状に取り囲む位置に配置され、前記第２外歯にかみ合い可能な第２内歯を備えた剛性の第２内歯歯車と、
前記外歯歯車の前記円筒を半径方向に撓めて、前記第１外歯を前記第１内歯に対して部分的にかみ合わせ、前記第２外歯を前記第２内歯に対して部分的にかみ合わせている波動発生器と、
回転可能な状態にある前記第１内歯歯車および前記第２内歯歯車のうちの一方を回転不可の固定状態に切り替え可能なクラッチ機構と、
を有しており、
前記第１外歯と前記第２外歯の歯数は、同一あるいは相違しており、
前記第１外歯と前記第１内歯の歯数は、相違しており、
前記第２外歯と前記第２内歯の歯数は、相違している速比切替式波動歯車装置。
【請求項２】
前記波動発生器は、前記外歯歯車の前記円筒における前記第１外歯が形成されている部分を撓める第１波動発生器、および、前記第２外歯が形成されている部分を撓める第２波動発生器を備えており、
前記第１波動発生器は、第１非円形外周面を備えた第１剛性プラグ、および、前記第１非円形外周面に装着した第１ウエーブベアリングを備えており、
前記第２波動発生器は、第２非円形外周面を備えた第２剛性プラグ、および、前記第２非円形外周面に装着した第２ウエーブベアリングを備えている請求項１に記載の速比切替式波動歯車装置。
【請求項３】
前記円筒の前記外周面において前記軸線方向における前記第１、第２外歯とは異なる位置に形成した第３歯数の第３外歯と、
前記第３外歯を同心状に取り囲む状態に配置され、前記第３外歯にかみ合い可能な内歯を備えた剛性の駆動側内歯歯車と、
を有しており、
前記波動発生器によって前記円筒は前記半径方向に撓められて、前記第３外歯が前記駆動側内歯歯車の前記内歯に対して部分的にかみ合っており、
前記駆動側内歯歯車が前記外歯歯車と一体回転するように、前記駆動側内歯歯車の前記内歯の歯数は、前記第３外歯の歯数と同一である請求項１に記載の速比切替式波動歯車装置。
【請求項４】
前記波動発生器は、前記外歯歯車の前記円筒における前記第１外歯が形成されている部分を撓める第１波動発生器、前記第２外歯が形成されている部分を撓める第２波動発生器、および、前記第３外歯が形成されている部分を撓める第３波動発生器を備えており、
前記第１波動発生器は、第１非円形外周面を備えた第１剛性プラグ、および、前記第１非円形外周面に装着した第１ウエーブベアリングを備えており、
前記第２波動発生器は、第２非円形外周面を備えた第２剛性プラグ、および、前記第２非円形外周面に装着した第２ウエーブベアリングを備えており、
前記第３波動発生器は、第３非円形外周面を備えた第３剛性プラグ、および、前記第３非円形外周面に装着した第３ウエーブベアリングを備えている請求項３に記載の速比切替式波動歯車装置。
【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、一つの回転入力に対する回転出力の速比を二段階あるいは多段階に切替可能な速比切替式波動歯車装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波動歯車装置は、小型軽量、高回転精度、高負荷容量、高減速比などの特徴が備わっているので、産業用ロボット、ＮＣ工作機などに用いられている。波動歯車装置は、その用途によって、求められる速比が異なるため、異なる速比の製品が用意されている。減速機は、原動機の出力を変えずに、トルクと回転速度を変換するので、速比を決めると、その装置の最大トルク、最高回転速度が決まってしまう。従来の波動歯車装置は、一つの原動機に対して一つの波動歯車装置が組み付けられる。よって、波動歯車装置の速比を一つに決めると、その装置の最大トルク、最高回転速度その他の性能は、速比に応じて一つに決まっていた。【０００３】
特許文献１においては、一つの回転入力に対して２自由度の回転出力を得るために、２組の波動歯車機構を備え、一方の波動歯車機構の波動発生器を入力軸に対してクラッチにより係合・離脱可能とした構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２１５１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、簡単な構成により、一つの回転入力に対する回転出力の速比を二段階あるいは多段階に切替可能な速比切替式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】
【０００６】
本発明の速比切替式波動歯車装置は、
半径方向に撓み可能な円筒の外周面に形成した所定の歯数の第１外歯、および、前記円筒の前記外周面において前記第１外歯とは軸線方向における異なる位置に形成した所定の歯数の第２外歯を備えた外歯歯車と、
前記第１外歯を同心状に取り囲む位置に配置され、前記第１外歯にかみ合い可能な第１内歯を備えた剛性の第１内歯歯車と、
前記第２外歯を同心状に取り囲む位置に配置され、前記第２外歯にかみ合い可能な第２内歯を備えた剛性の第２内歯歯車と、
前記外歯歯車の前記円筒を半径方向に撓めて、前記第１外歯を前記第１内歯に対して部分的にかみ合わせ、前記第２外歯を前記第２内歯に対して部分的にかみ合わせている波動発生器と、
回転可能な状態にある前記第１内歯歯車および前記第２内歯歯車のうちの一方を回転不可の固定状態に切り替え可能なクラッチ機構と、
を有しており、
前記第１外歯と前記第２外歯の歯数は、同一あるいは相違しており、
前記第１外歯と前記第１内歯の歯数は、相違しており、
前記第２外歯と前記第２内歯の歯数は、相違していることを特徴としている。【０００７】
速比切替式波動歯車装置では、例えば、波動発生器が回転入力要素とされ、外歯歯車が回転出力要素とされる。回転可能な状態にある第１、第２内歯歯車のうちの一方を、クラッチ機構により回転不可の固定状態に切り替える。【０００８】
例えば、第１内歯歯車を回転不可の固定状態に切り替える。この状態では、波動発生器が回転すると、外歯歯車の第１外歯と、回転が拘束されている第１内歯歯車との間には、それらの歯数差に応じた相対回転が生じる。第１内歯歯車が固定されているので、外歯歯車が回転する。外歯歯車の第２外歯にかみ合っている第２内歯歯車は回転可能な状態のままであるので、外歯歯車と一体となって回転する。よって、外歯歯車から、第１外歯と第１内歯歯車との間の歯数差に応じて減速された回転出力が取り出される。【０００９】
クラッチ機構により、第２内歯歯車を回転不可の固定状態に切り替え、第１内歯歯車を回転可能な状態に戻す。これにより、波動発生器への回転入力は、外歯歯車の第２外歯と第２内歯歯車との間の歯数差に応じて減速された回転出力となって、外歯歯車から取り出される。このように、一つの回転入力から得られる回転出力の速比を二段階に切り替えることができる。外歯歯車の円筒に形成される外歯の数を増やすことにより、回転出力の速比を多段階に切り替えることができる。一つの回転入力を、二段あるいは複数段の速比で減速して出力可能なコンパクトで簡単な構成の波動歯車装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を適用した実施の形態１に係る速比切替式カップ型波動歯車装置を示す正面図および断面図である。
【図２】図１の実施の形態１の変形例１を示す断面図である。
【図３】図１の実施の形態１の変形例２を示す断面図である。
【図４】本発明を適用した実施の形態２に係る速比切替式フラット型波動歯車装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、図面を参照して本発明を適用した実施の形態に係る速比切替式波動歯車装置を説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１（ａ）は実施の形態１に係る速比切替式カップ型波動歯車装置を示す正面図であり、図１（ｂ）はその断面図である。速比切替式カップ型波動歯車装置１（以下、単に、「波動歯車装置１」と呼ぶ。）は、第１内歯歯車２、第２内歯歯車３、カップ形状をした外歯歯車４、波動発生器５およびクラッチ機構６を備えている。
【００１３】
外歯歯車４は、半径方向に撓み可能な可撓性の円筒４１と、円筒４１の後端から半径方向の内側に延びるダイヤフラム４２と、ダイヤフラム４２の内周縁に一体形成された円環状の剛性ボス４３とを備えたカップ形状をしている。円筒４１の外周面４４には、第１歯数の第１外歯４５および第２歯数の第２外歯４６が形成されている。すなわち、円筒４１の外周面４４において、その先端の側の部分に、第１外歯４５が形成されている。外周面４４において、第１外歯４５に対して軸線１ａの方向に隣接した部分に、第２外歯４６が形成されている。
【００１４】
第１内歯歯車２は、外歯歯車４における第１外歯４５を同心状に取り囲む位置に配置されている。第１内歯歯車２に形成されている第１内歯２１は第１外歯４５にかみ合い可能であり、第１内歯２１の歯数は第１外歯４５とは異なる。第２内歯歯車３は、第１内歯歯車２に対して軸線１ａの方向に並べて配置されており、外歯歯車４における第２外歯４６を同心状に取り囲む位置にある。第２内歯歯車３に形成されている第２内歯３１は第２外歯４６にかみ合い可能であり、第２内歯３１の歯数は第２外歯４６とは異なる。
【００１５】
波動発生器５は、外歯歯車４の円筒４１における第１、第２外歯４５、４６の形成部分を、半径方向に撓めている。これにより、第１外歯４５が第１内歯２１に対して部分的にかみ合っており、第２外歯４６が第２内歯３１に対して部分的にかみ合っている。本例では、円筒４１の第１、第２外歯４５、４６の形成部分が、波動発生器５によって楕円状に撓められ、楕円状の長軸方向の両端において、第１、第２外歯４５、４６が、それぞれ、第１、第２内歯２１、３１にかみ合っている。したがって、第１内歯２１と第１外歯４５の歯数差、第２内歯３１と第２外歯４６の歯数差は、それぞれ、２ｎ枚（ｎ：正の整数）に設定される。
【００１６】
波動発生器５は、円筒状のハブ５１と、ハブ５１の外周面にオルダム継手５２を介して装着した剛性プラグ５３と、ウエーブベアリング５４とを備えている。剛性プラグ５３は楕円状外周面５３ａを備えている。楕円状外周面５３ａにウエーブベアリング５４が楕円状に撓められた状態で圧入固定されている。
【００１７】
クラッチ機構６は、軸線１ａの方向にスライド可能なリング状のクラッチ部材６１と、クラッチ部材６１を軸線１ａの方向にスライドさせるスライド機構６２とを備えている。クラッチ部材６１は、その円形内周面に係合歯６３（スプライン）が形成されている。第１、第２内歯歯車２、３の円形外周面には、それぞれ、軸線１ａの方向から係合歯６３に係合可能な係合歯２２、３２（スプライン）が形成されている。クラッチ部材６１は、第１内歯歯車２の係合歯２２に係合する係合位置と、第２内歯歯車３の係合歯３２に係合する係合位置との間を、軸線１ａに平行な方向にスライド可能である。
【００１８】
この構成の波動歯車装置１では、例えば、波動発生器５を回転入力要素とし、ここに、想像線で示すように回転入力軸７を接続する。外歯歯車４を回転出力要素とし、この剛性ボス４３に想像線で示すように出力部材８を接続する。外歯歯車４の第１外歯４５、第２外歯４６は、それぞれ、部分的に、第１内歯歯車２、第２内歯歯車３にかみ合っている。例えば、第２内歯歯車３にクラッチ部材６１を係合させ、この第２内歯歯車３を回転不可の固定状態に切り替え、他方の第１内歯歯車２を回転自在の状態のままとする。波動発生器５が回転すると、外歯歯車４の第２外歯４６と、固定されている第２内歯歯車３との間には、それらの歯数差に対応した相対回転が生じる。外歯歯車４が回転し、ここから出力部材８に、歯数差に応じた速比で減速された回転が出力される。
【００１９】
クラッチ部材６１を第１内歯歯車２の側にスライドさせると、クラッチ部材６１は第２内歯歯車３との係合が解除され、第１内歯歯車２に係合する。第１内歯歯車２が回転不可の固定状態に切り替わり、第１内歯歯車２と第１外歯４５との間に、それらの歯数差に応じた相対回転が生じる。よって、入力回転は、外歯歯車４は、第１内歯歯車２と第１外歯４５との間の歯数差に応じた速比で減速され、外歯歯車４から出力部材８に出力される。
【００２０】
なお、クラッチ部材６１による変速動作には有限の時間が掛かる。外歯歯車４と一体となって比較的低速で回転する第１、第２内歯歯車２、３に対してクラッチ部材６１を係合し、その係合を解除している。よって、このような変速動作の途中の状態に起因する不具合の発生を抑えることができる。
【００２１】
また、本例では、波動発生器５を回転入力要素とし、外歯歯車４を回転出力要素としている。逆に、波動発生器５を回転出力要素とし、外歯歯車４を回転入力要素とすれば、入力回転を、異なる速比で増速して、増速回転出力として取り出すことができる。
【００２２】
さらに、本発明は、シルクハット形状をした外歯歯車を備えたシルクハット型波動歯車装置、および、円筒形状の外歯歯車を備えたフラット型波動歯車装置（図４参照）にも適用可能である。
【００２３】
（変形例１）
図２は波動歯車装置１の変形例１を示す断面図である。図２に示す波動歯車装置１０の基本構成は波動歯車装置１と同一であるので、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。波動歯車装置１０においては、変速の段数に対応する個数の波動発生器を配置してある。これにより、トルク容量が上がるので望ましい。
【００２４】
すなわち、波動歯車装置１０は、外歯歯車４の円筒４１における第１外歯４５が形成されている部分を楕円状に撓める第１波動発生器５Ａ、および、第２外歯４６が形成されている部分を撓める第２波動発生器５Ｂを備えている。第１波動発生器５Ａは、楕円状外周面（第１非円形外周面）を備えた第１剛性プラグ５３Ａ、および、楕円状外周面に装着した第１ウエーブベアリング５４Ａを備えている。同様に、第２波動発生器５Ｂは、楕円状外周面（第２非円形外周面）を備えた第２剛性プラグ５３Ｂ、および、楕円状外周面に装着した第２ウエーブベアリング５４Ｂを備えている。本例では、第１剛性プラグ５３Ａと第２剛性プラグ５３Ｂとが単一部品から形成されている。
【００２５】
ここで、カップ形状の外歯歯車４には、コーニングと呼ばれる撓みが発生する。外歯歯車４のダイヤフラム４２側に配置される波動発生器５Ｂは、反対側に配置される波動発生器５Ａに比べて、コーニングによる撓み量の減少に応じて、その楕円量を小さくすればよい。また、撓み量の少ないダイヤフラム側に位置する第２外歯４６の側の速比を大きくすればよい。
【００２６】
なお、本例では速比を二段階に切り替えているが、後述の実施の形態２のように、速比を三段階、それ以上の多段階に切り替えるように構成することも可能である。切替段数に応じた数の外歯を外歯歯車に形成し、同一数の内歯歯車を配置すればよい。
【００２７】
（変形例２）
図３は波動歯車装置１の変形例２を示す断面図である。図３に示す波動歯車装置２０の基本構成は波動歯車装置１と同一であるので、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。
【００２８】
前述の波動歯車装置１、１０（図１、２参照）における変速機構は、第１、第２内歯歯車２、３の外周面に係合歯２２、３２（スプライン）を設け、内側に係合歯６３（スプライン）を切ったリング状のクラッチ部材６１を選択的に第１、第２内歯歯車２、３にかみ合わせ、クラッチ部材６１を軸線１ａの方向に動かして、第１、第２内歯歯車２、３の固定とフリーを切り替えている。
【００２９】
図３に示す波動歯車装置２０においては、第１、第２内歯歯車２、３のそれぞれにクラッチ機構６Ａ、６Ｂを設けている。クラッチ機構６Ａ、６Ｂのオンオフを切り替えることによって、変速を行う。クラッチ機構６Ａ、６Ｂは、例えば、多板クラッチである。クラッチ機構としては各種のものを用いることができる。例えば、第１、第２内歯歯車２、３を、それらの外周側から包み込むようにクラッチバンドを配置した構成のバンド式クラッチを用いることもできる。
【００３０】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２に係る速比切替式フラット型波動歯車装置を示す断面図である。速比切替式フラット型波動歯車装置１００（以下、単に、「波動歯車装置１００」と呼ぶ。）は、速比を三段階に切り替え可能であり、第１内歯歯車１１０、第２内歯歯車１２０、第３内歯歯車１３０、駆動側内歯歯車１９０、円筒形状の外歯歯車１４０、波動発生器１５０およびクラッチ機構１６０を備えている。
【００３１】
外歯歯車１４０は、半径方向に撓み可能な可撓性の円筒１４１を備えている。円筒１４１の外周面には、第１歯数の第１外歯１４３、第２歯数の第２外歯１４４、第３歯数の第３外歯１４５および第４歯数の第４外歯１４６が形成されている。円筒１４１の外周面において、その一方の端から他方の端に向けて、軸線１００ａの方向に、第１〜第４外歯１４３〜１４６が、この順序で並んでいる。
【００３２】
第１内歯歯車１１０は、外歯歯車１４０における第１外歯１４３を同心状に取り囲む位置に配置されている。第１内歯歯車１１０に形成されている第１内歯１１１は第１外歯１４３にかみ合い可能であり、第１内歯１１１の歯数は第１外歯１４３とは異なる。第２内歯歯車１２０は、第１内歯歯車１１０に対して軸線１００ａの方向に並べて配置されており、外歯歯車１４０における第２外歯１４４を同心状に取り囲む位置にある。第２内歯歯車１２０に形成されている第２内歯１２１は第２外歯１４４にかみ合い可能であり、第２内歯１２１の歯数は第２外歯１４４とは異なる。第３内歯歯車１３０は、第２内歯歯車１２０に対して軸線１００ａの方向に並べて配置されており、外歯歯車１４０における第３外歯１４５を同心状に取り囲む位置にある。第３内歯歯車１３０に形成されている第３内歯１３１は第３外歯１４５にかみ合い可能であり、第３内歯１３１の歯数は第３外歯１４５とは異なる。
【００３３】
駆動側内歯歯車１９０は、第３内歯歯車１３０に対して軸線１００ａの方向に並べて配置されており、外歯歯車１４０における第４外歯１４６を同心状に取り囲む位置にある。駆動側内歯歯車１９０に形成されている内歯１９１は第４外歯１４６にかみ合い可能であり、外歯歯車１４０と一体回転するように、内歯１９１の歯数は第４外歯１４６の歯数と同一に設定されている。
【００３４】
波動発生器１５０は、外歯歯車１４０の円筒１４１における第１〜第４外歯１４３〜１４６の形成部分を、それぞれ、半径方向に撓めている。これにより、第１外歯１４３が第１内歯１１１に対して部分的にかみ合っており、第２外歯１４４が第２内歯１２１に対して部分的にかみ合っており、第３外歯１４５が第３内歯１３１に部分的にかみ合っており、第４外歯１４６が内歯１９１に部分的にかみ合っている。本例では、円筒１４１の第１〜第４外歯１４３〜１４６の形成部分が、波動発生器１５０によって楕円状に撓められ、楕円状の長軸方向の両端において、第１〜第４外歯１４３〜１４６が、それぞれ、第１、第２、第３内歯１１１、１２１、１３１、および内歯１９１にかみ合っている。したがって、第１内歯１１１と第１外歯１４３の歯数差、第２内歯１２１と第２外歯１４４の歯数差、第３内歯１３１と第３外歯１４５の歯数差は、それぞれ、２ｎ枚（ｎ：正の整数）に設定される。
【００３５】
波動発生器１５０は、想像線で示す回転入力軸１７０に固定される剛性プラグ１５１と、この剛性プラグ１５１の外周面部分に形成した４か所の一定幅の楕円状外周面１５２〜１５５と、各楕円状外周面１５２〜１５５に装着したウエーブベアリング１５６〜１５９とを備えている。各ウエーブベアリング１５６〜１５９は、外歯歯車１４０における第１〜第４外歯１４３〜１４６の形成部分に対応した位置に配置されている。
【００３６】
クラッチ機構１６０は、軸線１００ａの方向にスライド可能なリング状のクラッチ部材１６１と、クラッチ部材１６１を軸線１００ａの方向にスライドさせるスライド機構１６２とを備えている。クラッチ部材１６１は、その円形内周面に係合歯１６３（スプライン）が形成されている。第１〜第３内歯歯車１１０〜１３０の円形外周面には、それぞれ、軸線１００ａの方向から係合歯１６３に係合可能な係合歯１１２、１２２、１３２が形成されている。クラッチ部材１６１は、第１〜第３内歯歯車１１０〜１３０の係合歯１１２、１２２、１３２に対して、選択的に係合可能な係合位置に順次にスライド可能である。
【００３７】
この構成の波動歯車装置１００では、例えば、波動発生器１５０を回転入力要素とし、ここに回転入力軸１７０を接続する。外歯歯車１４０と一体回転する駆動側内歯歯車１９０を回転出力要素とし、ここに、出力部材１８０を接続する。例えば、第２内歯歯車１２０にクラッチ部材１６１を係合させ、この第２内歯歯車１２０を回転不可の固定状態に切り替え、他の第１、第３内歯歯車１１０、１３０を回転自在の状態のままとする。波動発生器１５０が回転すると、外歯歯車１４０の第２外歯１４４と、固定されている第２内歯歯車１２０との間には、それらの歯数差に対応した相対回転が生じる。外歯歯車１４０が回転し、外歯歯車１４０と一体回転する駆動側内歯歯車１９０から出力部材１８０に、歯数差に応じた速比で減速された回転が出力される。同様にして、クラッチ部材１６１を第１内歯歯車１１０あるいは第３内歯歯車１３０の側にスライドさせることで、異なる速比の回転出力が得られる。
【００３８】
なお、本例では、波動発生器１５０を回転入力要素とし、駆動側内歯歯車１９０を回転出力要素としている。逆に、波動発生器１５０を回転出力要素とし、駆動側内歯歯車１９０を回転入力要素とすれば、入力回転を、異なる速比で増速して、増速回転出力として取り出すことができる。また、クラッチ機構１６０としては多板クラッチ等の各種のクラッチ機構を用いることができる。さらに、本例は、速比を三段階に切り替え可能であるが、実施の形態１の場合と同様に、速比を二段階に切り替えることも可能であり、三段階以上の多段階に切り替えるように構成することも可能である。
【００３９】
上記の各例では、波動発生器によって外歯歯車を楕円状に撓めて、外歯歯車を内歯歯車にかみ合わせている。波動発生器によって外歯歯車を３ローブ形状などの非円形状に撓めて、円周方向における３か所以上の位置で、外歯歯車を内歯歯車にかみ合わせることもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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