JP4645086B2 - 波動歯車装置、伝達比可変装置、及び波動歯車装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、波動歯車装置、伝達比可変装置、及び波動歯車装置の製造方法に関するものである。

従来、サーキュラスプラインと、その内側においてサーキュラスプラインと噛み合うように同軸配置される筒状のフレクスプラインと、フレクスプラインを非円形に撓ませてその外歯をサーキュラスプラインの内歯に部分的に噛み合わせるとともに、フレクスプラインの非円形形状を回転させる波動発生器とを備えた波動歯車装置がある（特許文献１参照）。

波動歯車装置は、上記波動発生器を回転させることで、フレクスプラインの固定端側（２つのフレクスプラインを有するものはステータ側）に対してサーキュラスプラインを高い減速比で相対回転させることができる。そして、その外形が極めて小さいという特徴を有していることから、近年、精密機械や車両用操舵装置の伝達比可変装置等、多種多様な用途に用いられるようになっている。
特許第２７１８５４０号明細書

ところで、従来、波動歯車装置を構成する前述の各スプラインは、切削加工により金属ブロックから削り出すことにより形成される。このため、その作動時には、金属接触に伴う歯当たり音や振動の発生が避けられないものとなっている。

しかし、上記のごとく、波動歯車装置の用途は拡大の一途を辿っており、近年では、その基本性能に加えて、高い静粛性が求められるようになっている。特に、伝達比可変装置においては、その作動音及び振動がステアリングシャフトやハウジング等を介して車室に伝播しその放射ノイズが搭乗者に不快感を与えるおそれがある。そのため、こうした作動音や振動の低減が重要な課題の一つとなっている。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、静粛性の高い波動歯車装置、伝達比可変装置、及び波動歯車装置の製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、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側において該サーキュラスプラインと噛み合うように同軸配置される筒状のフレクスプラインと、前記フレクスプラインを非円形に撓ませて該フレクスプラインの外歯を前記サーキュラスプラインの内歯に部分的に噛み合わせるとともに、前記撓められたフレクスプラインの非円形の形状を回転させる波動発生器とを備えた波動歯車装置であって、前記サーキュラスプライン又はフレクスプラインは二層の鋼板層の間に制振材層を挟み込んだ制振鋼板にて形成され、前記サーキュラスプラインの内歯又はフレクスプラインの外歯が該制振鋼板の表面に形成されてなること、を要旨とする。

上記構成によれば、製造容易且つ低コストにて、作動音及び振動を抑制することができ、その結果、静粛性の高い波動歯車装置を提供することができるようになる。
請求項２に記載の発明は、前記制振鋼板にて形成された前記サーキュラスプライン又はフレクスプラインは、歯面の裏側の制振鋼板を歯面側の制振鋼板に向けて押圧して形成される少なくとも一つの凸部と、該凸部によって歯面側の制振鋼板に形成される凹部との間で前記制振材層が挟持されること、を要旨とする。

上記構成によれば、同凹部を形成する際に、内側の鋼板層が制振材層に食い込むことで、同制振材層に突出する凸部が形成され、更に、その押圧により外側の鋼板層に形成される凹部との間で制振材層が挟持される状態となる。従って、スプラインに加わる応力は、この凸部及び凹部に集中することになり、これにより制振材層に作用するせん断応力や各鋼板層と制振材層とを剥離させる力を緩和することができる。その結果、低コストにて、伝達可能なトルクを増大させることができるとともに、制振材層を構成するゴムや樹脂等が経年変化により劣化した場合であっても、その破損を回避することができる。

請求項３に記載の発明は、ステアリングホイールの操舵角に基づく操舵輪の第１の舵角にモータ駆動に基づく前記操舵輪の第２の舵角を上乗せすることにより前記ステアリングホイールの操舵角に対する操舵輪の伝達比を可変させる伝達比可変装置であって、請求項１または請求項２に記載の波動歯車装置を備えること、を要旨とする。

上記構成によれば、静粛性の高い伝達比可変装置を提供することが可能になる。
請求項４に記載の発明は、二層の鋼板層の間に制振材層を挟み込んだ制振鋼板をカップ状に押圧成形し、その外周面にスプライン歯を形成すること、を要旨とする。

請求項５に記載の発明は、前記押圧成形したカップ状部材の底部を除去する工程を有すること、を要旨とする。
上記各構成によれば、製造容易且つ低コストにて静粛性の高いハーモニックギヤを製造することが可能になる。

請求項６に記載の発明は、歯面の裏側の面に少なくとも一の凹部を押圧形成する工程を有すること、を要旨とする。
上記構成によれば、同凹部を形成する際に、内側の鋼板層が制振材層に食い込むことで、同制振材層に突出する凸部が形成され、更に、その押圧により外側の鋼板層に形成される凹部との間で制振材層が挟持される状態となる。従って、スプラインに加わる応力は、この凸部及び凹部に集中することになり、これにより制振材層に作用するせん断応力や各鋼板層と制振材層とを剥離させる力を緩和することができる。その結果、低コストにて、伝達可能なトルクを増大させることができるとともに、制振材層を構成するゴムや樹脂等が経年変化により劣化した場合であっても、その破損を回避することができる。

本発明によれば、静粛性の高い波動歯車装置、伝達比可変装置、及び波動歯車装置の製造方法を提供することができる。

以下、本発明を伝達比可変装置の波動歯車装置に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態のステアリング装置１の概略構成図である。同図に示すように、ステアリングホイール（ステアリング）２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック５に連結されており、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック５の往復直線運動に変換される。そして、このラック５の往復直線運動により操舵輪６の舵角、即ちタイヤ角が可変することにより、車両の進行方向が変更されるようになっている。

また、ステアリング装置１は、モータ７を駆動源としてステアリングホイール２の舵角（操舵角）に対する操舵輪６の舵角（タイヤ角）の比率、即ち伝達比（ギヤ比）を可変させる伝達比可変装置８を備えている。

本実施形態では、ステアリングシャフト３は、ステアリング２が連結された第１シャフト９とラックアンドピニオン機構４に連結される第２シャフト１０とからなり、これら第１シャフト９及び第２シャフト１０は、伝達比可変装置８を介して連結されている。

図２に示すように、伝達比可変装置８は、駆動源としてのモータ７と、差動機構としての波動歯車装置１１とを備えており、第１シャフト９の回転を第２シャフト１０に伝達するとともにモータ７の回転を減速して第２シャフトに伝達する。そして、ステアリング操作に伴う第１シャフト９の回転に、モータ駆動に基づく回転を上乗せして第２シャフト１０に伝達することにより、ラックアンドピニオン機構４に入力されるステアリングシャフト３の回転を増速（又は減速）し、これにより操舵角に対する操舵輪６の伝達比を可変させるようになっている。

詳述すると、モータ７を収容するハウジング１２は、略有底筒状に形成されており、モータ７は、その出力軸７ａとハウジング１２とが同軸になるように同ハウジング１２内に固定されている。また、ハウジング１２の上壁部１２ａには、同ハウジング１２と同軸となる位置に筒状の嵌合部１３が設けられており、同嵌合部１３は、その軸方向外側（図中上方向）に向かって延設されている。そして、ハウジング１２は、その嵌合部１３と第１シャフト９の一端とが嵌合されることにより同第１シャフト９に固定され、これにより、第１シャフト９とともに一体回転するようになっている。

尚、ハウジング１２の上壁部１２ａには、スパイラルケーブル装置１４が設けられている。スパイラルケーブル装置１４は、ハウジング１２とともに一体回転する内筒体１４ａと、該内筒体１４ａの外側において同内筒体１４ａと相対回転可能に設けられた外筒体１４ｂとを有しており、内筒体１４ａの周囲には、同内筒体１４ａと外筒体１４ｂとを電気的に接続するＦＦＣ（フレキシブルフラットケーブル）１４ｃが巻回されている。そして、ハウジング１２の回転に伴う内筒体１４ａの回転により同内筒体１４ａと外筒体１４ｂとの間でＦＦＣ１４ｃが巻き絞め又は巻き広げられることにより、所定の回転範囲（許容回転範囲）においてモータ７とＥＣＵ１５とが電気的に接続されるようになっている。

一方、図３（ａ）（ｂ）に示すように、波動歯車装置１１は、ステータギヤ２１と、該ステータギヤ２１と異なる歯数が設定されるとともに該ステータギヤ２１と同軸に並置されるドリブンギヤ２２と、ステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２の内側に該両ギヤと噛み合うように同軸配置される筒状のフレキシブルギヤ２３とを備えている。

図２に示すように、ステータギヤ２１は、ハウジング１２と同軸となるように同ハウジング１２に固定されており、ドリブンギヤ２２は、連結部材２５を介して第２シャフト１０と同軸に連結されている。また、図３（ａ）（ｂ）に示すように、フレキシブルギヤ２３は、楕円状に撓められた状態でステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２の内側に配置されており、その外歯２３ａはステータギヤ２１の内歯２１ａ及びドリブンギヤ２２の内歯２２ａとそれぞれ部分的に噛合されている。そして、ハウジング１２とともにステータギヤ２１が回転し、そのステータギヤ２１の回転がフレキシブルギヤ２３を介してドリブンギヤ２２に伝達されることにより、ステアリング操作に伴う第１シャフト９の回転が第２シャフト１０に伝達されるようになっている。

また、波動歯車装置１１は、フレキシブルギヤ２３の内側に配置される波動発生器２７を有している。波動発生器２７は、モータ７の出力軸７ａに連結されており、同モータ７に駆動されてフレキシブルギヤ２３の内側を回転することにより、上記撓められたフレキシブルギヤ２３の楕円形状、即ちステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２との噛合部を回転させる。そして、ステータギヤ２１とドリブンギヤ２２と間の歯数差に基づいて、ドリブンギヤ２２が波動発生器２７の回転と逆方向に回転することにより、モータ７の回転が減速されて第２シャフト１０に伝達されるようになっている。

尚、本実施形態では、ステータギヤ２１及びフレキシブルギヤ２３の歯数は「１０２」、ドリブンギヤ２２の歯数は「１００」に設定されている。そして、これにより、波動歯車装置１１の減速比は「５０：１」となっている。

（各ギヤの材質）
次に、波動歯車装置を構成する各ギヤの材質について説明する。
本実施形態では、ステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２は、金型を用いた樹脂成型により形成されている。具体的には、ステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２は、ベースポリマーとしてポリイミド系のベスペル（登録商標）又はポリエステル系のＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）を、強化物としてカーボンファイバーを用いて形成されている。そして、これにより、波動歯車装置を構成するハーモニックギヤとして必要な以下の物性が確保されている。

− 引張強度 ： １５０ＭＰａ以上、
− 線膨張率 ： ３０×１０^−６／°Ｃ以下、
− 曲げ弾性率： ５ＧＰＡ以上、
− 吸水率 ： １％以下。

尚、上記各物性は、引張強度が２００ＭＰａ以上、線膨張率が２０×１０^−６／°Ｃ以下、曲げ弾性率が１０ＧＰＡ以上、吸水率が０．１％以下であることが望ましく、更には、金属材料と同等の物性、即ち、８００ＭＰａ以上の引張強度、１５×１０^−６／°Ｃの線膨張率、及び１００ＧＰＡ以上の曲げ弾性率を確保することが望ましい。

そして、本実施形態では、その各内歯２１ａ，２２ａについても、金型による成形時に同時に形成されるようになっている。
一方、図３（ａ）（ｂ）に示すように、フレキシブルギヤ２３は、二層の鋼板層３０ａ，３０ｂの間に、ゴム又はポリウレタン等の制振材（制振材層３０ｃ）を挟み込んだ制振鋼板を押圧加工することにより形成されている。

具体的には、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、板状の制振鋼板３０をプレス加工によりカップ状に形成し、そのカップ状部材３１の外周面に、切削加工によりスプライン歯としての外歯２３ａを形成する。そして、カップ状部材３１の底部３１ａを除去することによりフレキシブルギヤ２３が形成されている。

以上、本実施形態によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）ステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２は、金型を用いた樹脂成型により形成される。これにより、金属接触による歯当たり音を回避して作動音及び振動の低減を図ることができる。更に、金型を用いて各内歯２１ａ，２２ａを成形することにより、歯面の加工精度が向上するとともに、強化繊維の歯面への露出を防止することができ、その結果、歯当たりに起因する振動を更に低減することができる。加えて、加工が容易であることから製造コストの低減を図ることができる。

（２）１５０ＭＰａ以上の引張強度を確保することで、サイズの大型化を招くことなく、必要な強度を確保することができる。
（３）３０×１０^−６／°Ｃ以下の線膨張率を確保することで、温度変化に伴う変形を抑制して広い温度範囲で使用することが可能になる。

（４）１％以下の吸水率を確保することで、湿度変化に伴う変形を防止して、使用条件を緩和することができるとともに、高い経年耐久特性を確保することができる。
（５）５ＧＰＡ以上の曲げ弾性率を確保することで、サイズの大型化を招くことなくギヤの破断を防止することができる。

（６）フレキシブルギヤ２３は、二層の鋼板層３０ａ，３０ｂの間に、ゴム又はポリウレタン等の制振材（制振材層２３ｃ）を挟み込んだ制振鋼板を押圧加工することにより形成される。これにより、製造容易且つ低コストにて、作動音及び振動を抑制することができる。

なお、上記各実施形態は以下のように変更してもよい。
・本実施形態では、本発明を伝達比可変装置の波動歯車装置に具体化したが、伝達比可変装置以外の波動歯車装置に適用してもよい。

・本実施形態では、サーキュラスプラインとしてステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２を、フレクスプラインとしてフレキシブルギヤ２３を備えた所謂フラット型の波動歯車装置１１に具体化した。しかし、これに限らず、フレキシブルギヤ２３をカップ状に形成しステータギヤ２１の機能を持たせた所謂カップ型の波動歯車装置に具体化してもよい。尚、この場合、カップ状のフレキシブルギヤは、図４（ｃ）に示すカップ状部材３１の底部３１ａを除去する工程を省くことで、容易に形成することが可能である。

・本実施形態では、ステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２を樹脂にて形成し、フレキシブルギヤ２３を制振鋼板にて形成した。しかし、これに限らず、フレキシブルギヤ２３を樹脂にて形成してもよく、ステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２を制振鋼板にて形成してもよい。更に、これら各ギヤのうちの何れかを従来と同様の金属材料にて形成してもよい。つまり、波動歯車装置を構成する各ギヤの材質の組み合わせは、樹脂又は制振鋼板を材質とするものを含む限りにおいて、いかなる組み合わせであってもよい。尚、ステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２を制振鋼板にて形成する場合には、カップ状部材３１の内周面に、切削加工によりスプライン歯としての内歯２１ａ，２２ａを形成し、底部３１ａを除去することで容易に形成することができる。

・本実施形態では、ステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２のベースポリマーとしては、ポリイミド系のベスペル（登録商標）又はポリエステル系のＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）を用いることとした。しかし、これに限らず、ポリアミド系ポリマーのＫＭ９０００（登録商標）や、その他、ポリフェニレンサルファイト、ポリオキシベンゾイル、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン等、その他のエンジニアプラスチックを用いてもよい。また、強化物としては、アラミド強化繊維を用いてもよい。

・本実施形態では、スプライン歯としての外歯２３ａは、切削加工により形成することとしたが、カップ状部材３１を形成する際に押圧加工より形成することとしてもよい。
・本実施形態では、プレス加工により板状の制振鋼板３０をカップ状に形成したが、プレス加工に限らず、鍛造、圧造、フローフォーミング等、その他の押圧加工により形成してもよい。

・本実施形態では、二層の鋼板層３０ａ，３０ｂの間に、ゴム又はポリウレタン等の制振材層を挟み込んだ制振鋼板を用いたが、鋼板層と制振材層とを各一層有する制振鋼板を用いても良い。

・また、各ギヤを樹脂にて成形する場合には、金属材料を挿入体とするインサート成形により形成してもよく、ゴム等により制振材層を形成することとしてもよい。
・また、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、フレキシブルギヤ２３（カップ状部材４１）の内周面、即ち外歯２３ａが形成される歯面としての外周面の裏側の面に押圧加工により凹部４２を形成する構成としてもよい。このような構成とすれば、同凹部４２を形成する際に、内側の鋼板層３０ａが制振材層３０ｃに食い込むことで、同制振材層３０ｃに突出する凸部４３が形成され、更に、外側の鋼板層３０ｂに形成される凹部４４との間で制振材層３０ｃが挟持される状態となる。従って、フレキシブルギヤ２３に加わる応力は、この凸部４３及び凹部４４に集中することになり、これにより制振材層３０ｃに作用するせん断応力や各鋼板層３０ａ，３０ｂと制振材層３０ｃとを剥離させる力を緩和することができる。その結果、低コストにて、伝達可能なトルクを増大させることができるとともに、制振材層３０ｃを構成するゴムや樹脂等が経年変化により劣化した場合であっても、その破損を回避することができる。

尚、カップ状部材４１の内周面に凹部４２を形成する際に外周面に形成される凸部４５は、外歯２３ａを形成する前に切削加工等により除去すればよい。また、カップ状部材４１の内周面に形成する凹部４２は、同カップ状部材４１の軸方向（図５中上下方向）に沿って延設する構成とするのが望ましく、更には、制振材層３０ｃに突出する凸部４３の高さＬが、制振材層３０ｃの厚みＤよりも大となるようにすることが望ましい。更に、上記別例のようにステータギヤ２１及びドリブンギヤ２２を制振鋼板にて形成する場合には、カップ状部材４１の外周面に凹部を押圧形成すればよい。

ステアリング装置の概略構成図。 伝達比可変装置の断面図。 （ａ）波動歯車装置のＡ−Ａ断面図、（ｂ）波動歯車装置のＢ−Ｂ断面図。 （ａ）〜（ｄ）フレキシブルギヤの製造工程を示す図。 （ａ）〜（ｃ）別例のフレキシブルギヤの製造工程を示す図。

２…ステアリングホイール（ステアリング）、６…操舵輪、７…モータ、８…伝達比可変装置、１１…波動歯車装置、２１…ステータギヤ、２１a…内歯、２２…
ドリブンギヤ、２２a…内歯、２３…フレキシブルギヤ、２３ａ…外歯、２７…波動発生
器、３０…制振鋼板、３０ａ，３０ｂ…鋼板層、３０ｃ…制振材層、３１，４１…カップ状部材、４２…凹部。

Claims (6)

1. 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側において該サーキュラスプラインと噛み合うように同軸配置される筒状のフレクスプラインと、前記フレクスプラインを非円形に撓ませて該フレクスプラインの外歯を前記サーキュラスプラインの内歯に部分的に噛み合わせるとともに、前記撓められたフレクスプラインの非円形の形状を回転させる波動発生器とを備えた波動歯車装置であって、
   前記サーキュラスプライン又はフレクスプラインは二層の鋼板層の間に制振材層を挟み込んだ制振鋼板にて形成され、前記サーキュラスプラインの内歯又はフレクスプラインの外歯が該制振鋼板の表面に形成されてなること、を特徴とする波動歯車装置。
2. 請求項１に記載の波動歯車装置において、
   前記制振鋼板にて形成された前記サーキュラスプライン又はフレクスプラインは、歯面の裏側の制振鋼板を歯面側の制振鋼板に向けて押圧して形成される少なくとも一つの凸部と、該凸部によって歯面側の制振鋼板に形成される凹部との間で前記制振材層が挟持されること、
   を特徴とするハーモニックドライブ装置。
3. ステアリングホイールの操舵角に基づく操舵輪の第１の舵角にモータ駆動に基づく前記操舵輪の第２の舵角を上乗せすることにより前記ステアリングホイールの操舵角に対する操舵輪の伝達比を可変させる伝達比可変装置であって、
   請求項１または請求項２に記載の波動歯車装置を備えること、を特徴とする伝達比可変装置。
4. 二層の鋼板層の間に制振材層を挟み込んだ制振鋼板をカップ状に押圧成形し、その外周面にスプライン歯を形成すること、
   を特徴とする波動歯車装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の波動歯車装置の製造方法において、
   前記押圧成形したカップ状部材の底部を除去する工程を有すること、
   を特徴とする波動歯車装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の波動歯車装置の製造方法において、
   歯面の裏側の面に少なくとも一の凹部を押圧形成する工程を有すること、
   を特徴とする波動歯車装置の製造方法。

Images