波動歯車装置

波動歯車装置（ハーモニックギアとも呼ばれる）は、回転する楕円形プラグによって変形され、外側のスプラインの内側の歯とかみ合う、外歯付きの柔軟なスプラインを使用する機械式ギアシステムの一種です。

ドイツの会社 Harmonic Drive SE は、製品名または登録商標 Harmonic Drive で最初のシリーズ生産ギアを製造しました。

ひずみ波歯車装置は、ヘリカルギアや遊星ギアなどの従来の歯車システムに比べて、次のような利点があります。

• 反発なし、
• コンパクトで軽量、
• 高いギア比、
• 標準ハウジング内で再構成可能な比率、
• 慣性荷重を再配置する際の優れた分解能と優れた再現性（線形表現）^[1]
• 高トルク能力、
• 同軸の入力軸と出力軸。^[2]

小さな容積で高い減速比を実現できます (遊星歯車が通常 10:1 の減速比しか実現 できないのと同じスペースで、30:1 から 320:1 までの減速比を実現できます)。

欠点としては、低トルク領域で「巻き上げ」（ねじりバネ定数）が発生する傾向があることが挙げられます。

ひずみ波歯車装置は、ロボット工学^[3]や航空宇宙^[4]でよく使用されています。歯車減速機能だけでなく、回転速度を上げるためにも使用できます^[要出典]。 また、差動歯車装置にも使用できます。

波動歯車装置（SWG）の基本概念は、ユナイテッドシューマシナリー社（USM）の顧問だったCWマッサーが1957年の特許^{[5] [6]}で導入した。1960年にUSM社で初めて成功裏に使用され、その後USM社のライセンスを受けて長谷川歯車製作所が使用した。^[要出典]その後、長谷川歯車製作所は日本に拠点を置くハーモニックドライブシステムとなり、USM社のハーモニックドライブ部門はハーモニックドライブテクノロジーズとなった。 ^{[7] [8]} 1971年、NASAのアポロ15号ミッションでは、月面車（LRV）が車輪ごとに1つの電動モーターで駆動され、80:1のハーモニックドライブギアで接続された。^[9]

ストレイン ウェーブ ギアは、金属の弾性を利用します。この機構は、ウェーブ ジェネレータ (2 / 緑)、フレックス スプライン (3 / 赤)、サーキュラー スプライン (4 / 青) の 3 つの基本コンポーネントで構成されています。より複雑なバージョンでは、通常、全体の長さを短くしたり、より小さい直径内でギアの減速比を大きくしたりするために使用される 4 番目のコンポーネントがありますが、それでも同じ基本原理に従います。

ウェーブ ジェネレーターは、ウェーブ ジェネレーター プラグと呼ばれる楕円形のディスクと外側のボール ベアリングの 2 つの別々の部品で構成されています。楕円形のプラグがベアリングに挿入され、ベアリングが楕円形に一致するように強制されますが、プラグは外側のベアリング内で回転できます。

フレックス スプラインは、浅いカップのような形をしています。スプラインの側面は非常に薄いですが、底部は比較的剛性があります。このため、開いた端の壁は薄い壁のためかなり柔軟になり、閉じた側はしっかりと固定できるほど剛性があります (たとえば、シャフトに)。歯は、フレックス スプラインの外側に放射状に配置されています。フレックス スプラインはウェーブ ジェネレーターにぴったりとフィットするため、ウェーブ ジェネレーターのプラグを回転させると、フレックス スプラインは回転する楕円形に変形し、ボール ベアリングの外側の楕円リング上で滑りません。ボール ベアリングにより、フレックス スプラインはウェーブ ジェネレーターのシャフトとは独立して回転します。

円形スプラインは、内側に歯がある剛性のある円形リングです。フレックス スプラインとウェーブ ジェネレーターは円形スプラインの内側に配置され、フレックス スプラインと円形スプラインの歯を噛み合わせます。フレックス スプラインは楕円形に変形されるため、フレックス スプラインの歯は、フレックス スプラインの反対側の 2 つの領域 (楕円の長軸上) でのみ実際に円形スプラインの歯と噛み合います。

ウェーブ ジェネレータが入力回転であると仮定します。ウェーブ ジェネレータ プラグが回転すると、サーキュラー スプラインの歯とかみ合っているフレックス スプラインの歯の位置がゆっくりと変わります。フレックス スプラインの楕円の主軸はウェーブ ジェネレータとともに回転するため、歯のかみ合い点は、ウェーブ ジェネレータのシャフトと同じ速度で中心点の周りを回転します。ストレイン ウェーブ ギアの設計で重要なのは、フレックス スプラインの歯の数がサーキュラー スプラインの歯の数よりも少ない (多くの場合、たとえば 2 つ少ない) ことです。つまり、ウェーブ ジェネレータが完全に 1 回転するたびに、フレックス スプラインはサーキュラー スプラインに対してわずかに (この例では 2 つの歯) 後方に回転する必要があります。したがって、ウェーブ ジェネレータの回転動作により、フレックス スプラインは反対方向に非常にゆっくりと回転します。

ひずみ波歯車機構の場合、サイクロイド駆動と同様の方法で、各歯車の歯数から歯車減速比を計算できます。

${\displaystyle R={\frac {{\text{フレックススプライン歯}}-{\text{サーキュラースプライン歯}}}{\text{フレックススプライン歯}}},\quad -1<R<0}$

減速比の逆数は、同じフレーズと記号で表す場合があることに注意してください。

例えば、円形スプラインに202個の歯があり、フレックススプラインに200個の歯がある場合、減速比は（200 − 202）/ 200 = −0.01となる。

したがって、フレックス スプラインは、ウェーブ ジェネレータ プラグの 1/100 の速度で、反対方向に回転します。歯の数を変更することで、異なる減速比を設定できます。これは、機構の直径を変更するか、個々の歯のサイズを変更してサイズと重量を維持することで実現できます。可能なギア比の範囲は、特定の構成の歯のサイズ制限によって制限されます。

この減速比は、円形スプラインが固定され、波動発生器が入力、フレキシブルスプラインが出力の構成に適用できます。円形スプラインも回転する場合、3つの部分の回転速度の間には次の関係が成り立ちます。^[10]

${\displaystyle \omega _{FS}=R\omega _{WG}+(1-R)\omega _{CS}}$

ネガティブで小さな 心。${\displaystyle R}$

アポロ月面車の電動車輪には波動歯車が使われていた。^{[11]また、}スカイラブで太陽電池パネルを展開するために使われたウインチも波動歯車を使って駆動されていた。^[要出典]

• 日本電産シンポアメリカ株式会社
• サイクロイドドライブ
• 蠕動ポンプ

• 「ハーモニックドライブ」。ブリタニカ百科事典。 2020年11月26日閲覧。

ウィキメディア・コモンズには、ハーモニックドライブに関連するメディアがあります。

• 波動歯車装置の原理の説明（Youtube）
• ハーモニックドライブ機能デモンストレーション（Youtube）