(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、この内側にはめ込まれて、当該可撓性外歯歯車を半径方向に撓めて複数の個所で前記剛性内歯歯車に噛み合わせると共にこれらの噛み合わせ位置を円周方向の移動させる波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、円筒状の胴部と、この胴部の先端側開口端の外周に形成された外歯と、前記胴部の基端側開口に連続して半径方向の外方に広がっている環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムの外周端に連続している環状のボスとを備えた形状となっているシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置において、動作時に前記可撓性外歯歯車の前記ダイヤフラムに発生する半径方向の曲げ応力分布が引張応力から圧縮応力に切り換わる切り換わり点を含む当該ダイヤフラムの部分を、伝達トルクを検出するためのトルク検出部分とすると共に、当該トルク検出部分における半径方向に沿った応力変化を抑制できるように、当該トルク検出部分の厚さを隣接する部分に比べて相対的に厚くなるように設定したことを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。
【請求項２】
請求項１において、前記トルク検出部分の厚さは、半径方向に沿ってほぼ同一となるように設定したことを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。
【請求項３】
請求項１において、前記トルク検出部分の厚さを隣接する部分に比べて厚くする代わりに、当該トルク検出部分の厚さを半径方向に沿ってほぼ一定となるように設定したことを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可撓性外歯歯車がシルクハット形状をしているシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置に関するものである。さらに詳しくは、当該装置を介して伝達されるトルクを精度良く検出できるトルク検出部分を備えたシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロボット等の関節駆動機構等には、高減速比が得られると共に構造が簡単であり精度のよい位置決めを行なうことの可能な撓み噛み合い式歯車装置が利用されている。この撓み噛み合い式歯車装置は、一般的には、環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、この内側に嵌め込まれた波動発生器とを有している。波動発生器は一般的に楕円形状の輪郭をしており、波動発生器によって可撓性外歯歯車は楕円形状に撓められて、その楕円形状の長軸方向の両端に位置している外歯の部分が、剛性内歯歯車の内歯に噛み合った状態とされている。
【０００３】
波動発生器にはモータ出力軸等から高速回転が入力される。波動発生器が高速回転すると、これにともなって、可撓性外歯歯車の外歯における内歯との噛み合い位置も円周方向に移動する。剛性内歯歯車の内歯の歯数に対して可撓性外歯歯車の外歯の歯数は２Ｎ（Ｎは正の整数）、通常は２枚だけ少ない歯数に設定されている。したがって、噛み合い位置が円周方向に回転すると、それに伴って、双方の歯車の間に相対回転が発生する。一方の側の歯車、一般には剛性内歯歯車を回転しないように固定しておけば、他方の歯車、一般には可撓性外歯歯車は入力回転に比べて大幅に減速された回転数で回転する。この減速回転が負荷側に伝達される。
【０００４】
この構成の撓み噛み合い式歯車装置は、そこに組み込まれる可撓性外歯歯車の形状に応じて、フラット型、コップ型、シルクハット型に分類される。本発明の対象となる装置は、シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置である。
【０００５】
このシルクハット型撓み噛み合い歯車装置では、可撓性外歯歯車としてシルクハット形状のものが組み込まれている。シルクハット形状の可撓性外歯歯車は、円筒状の胴部と、この先端側開口の外周に形成された外歯と、胴部の基端側の開口に連続して半径方向の外側に広がっている環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムの外周縁に連続している環状のボスを備えた構成となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置を介して伝達されるトルクを検出するためのトルク検出機構としては、歪ゲージを利用した機構が知られている。トルク検出機構においては、シルクハット形状をした可撓性外歯歯車のダイヤフラムの部分にトルク検出用の歪ゲージが貼り付けられる。ダイヤフラムの部分は、波動発生器によって半径方向に向けて繰り返し撓まされる胴部に連続しているので、この変形に伴って変形して曲げ応力が発生する。したがって、ダイヤフラムの部分を介して伝達されるトルクによって発生する剪断力以外の曲げ応力が最も低いダイヤフラムの部分に、歪ゲージを貼り付けて、伝達トルクを測定する必要がある。
【０００７】
しかし、曲げ応力が最小となる位置を含む部分においては、その位置に応じて、発生応力の変動が大きい。したがって、正確に歪ゲージを曲げ応力が最小となる位置に貼り付けないと、精度のよいトルク検出を行なうことができない。
【０００８】
本発明の課題は、この点に鑑みて、歪ゲージの貼り付け位置が多少ずれた場合においても、精度良くトルク検出を行なうことの可能なトルク検出部分を備えたシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明においては、環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、この内側にはめ込まれて、当該可撓性外歯歯車を半径方向に撓めて複数の個所で前記剛性内歯歯車に噛み合わせると共にこれらの噛み合わせ位置を円周方向の移動させる波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、円筒状の胴部と、この胴部の先端側開口端の外周に形成された外歯と、前記胴部の基端側開口に連続して半径方向の外方に広がっている環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムの外周端に連続している環状のボスとを備えた形状となっているシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置において、動作時に前記可撓性外歯歯車の前記ダイヤフラムに発生する半径方向の曲げ応力分布が引張応力から圧縮応力に切り換わる切り換わり点を含む当該ダイヤフラムの部分を、伝達トルクを検出するためのトルク検出部分とすると共に、当該トルク検出部分における半径方向に沿った応力変化を抑制できるように、当該トルク検出部分の厚さを隣接する部分に比べて相対的に厚くなるように設定した構成を採用している。
【００１０】
ここで、前記トルク検出部分の厚さは、半径方向に沿ってほぼ同一となるように設定することができる。
【００１１】
上記のように、前記トルク検出部分の厚さを隣接する部分に比べて厚くする代わりに、当該トルク検出部分の厚さを半径方向に沿ってほぼ一定となるように設定した構成を採用してもよい。
【００１２】
上記の構成を備えた本発明のシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置においては、歪ゲージが貼り付けられるダイラフラムのトルク検出部分が隣接する部分に比べて厚くなっている。したがって、この曲げ応力が引っ張り側から圧縮側に切り換わる点を含むトルク検出部分における半径方向に沿った曲げ応力の変動量を抑制することができる。したがって、歪ゲージの貼り付け位置が僅かにずれたとしても、トルク検出精度の低下を抑制することができる。
【００１３】
同様に、トルク検出部分を一定の厚さに設定した場合においても、この部分における半径方向の応力分布の変動を小さくすることができるので、歪ゲージの貼り付け位置が僅かにずれたとしても、トルク検出精度の低下を抑制することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１には、本発明を適用可能はシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置の構成を示してある。この図に示すように、シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置１は、環状の剛性内歯歯車２と、この内側に配置された可撓性外歯歯車３と、この内側に嵌め込まれた波動発生器４とを有している。波動発生器４は一般的に楕円形状の輪郭をしており、波動発生器４によって可撓性外歯歯車３は楕円形状に撓められて、その楕円形状の長軸方向の両端に位置している外歯３１の部分３１ａ、３１ｂが、剛性内歯歯車２の内歯２１に噛み合った状態とされている。
【００１６】
波動発生器４には、例えばモータ出力軸（図示せず）から高速回転が入力される。波動発生器４が高速回転すると、これにともなって、可撓性外歯歯車３の外歯３１における内歯２１との噛み合い位置（３１ａ、３１ｂ）も円周方向に移動する。剛性内歯歯車２の内歯２１の歯数に対して可撓性外歯歯車の外歯の歯数は２Ｎ（Ｎは正の整数）、通常は２枚だけ少ない歯数に設定されている。したがって、噛み合い位置が円周方向の回転すると、それに伴って、双方の歯車の間に相対回転が発生する。一方の側の歯車、一般には剛性内歯歯車２を回転しないように固定しておけば、他方の歯車、一般には可撓性外歯歯車３は入力回転に比べて大幅に減速された回転数で回転する。この減速回転が負荷側に伝達される。
【００１７】
可撓性外歯歯車３は全体としてシルクハット形状をしている。このシルクハット形状の可撓性外歯歯車３は、円筒状の胴部３２と、この先端側開口の外周に形成された外歯３１と、胴部３２の基端側の開口に連続して半径方向の外側に広がっている環状のダイヤフラム３３と、このダイヤフラム３３の外周縁に連続している環状のボス３４を備えた構成となっている。ボス３４の部分が負荷側の部材に締結ボルト等によって締結固定される。
【００１８】
動作状態においては、可撓性外歯歯車３のダイヤフラム３３の部分には、図２に示すような半径方向に沿って曲げ応力が発生する。図２には、従来において一般的に使用されているシルクハット形状の可撓性外歯歯車のダイヤフラムの部分に現れる曲げ応力分布を示してある（図２においては、本例の可撓性外歯歯車の部分に対応する部分には同一の符号を付してある。）。この曲げ応力分布状態から分かるように、ダイヤラフム３３の半径方向の中程の位置において引っ張り応力から圧縮応力に切り換わる切り換わり点が現れる。このような曲げ応力の発生しない位置、あるいは曲げ応力が最小となる位置３３１に、歪ゲージを貼り付ければ、その検出出力に基づき、精度良く伝達トルクを検出することができる。
【００１９】
しかし、この位置３３１を含む半径方向に沿った曲げ応力の分布状態から分かるように、この位置３３１を含む領域においては、半径方向への移動に伴う応力変動が激しい。したがって、歪ゲージの貼り付け位置が半径方向にずれると、曲げ応力の影響が歪ゲージ出力に大きく影響してしまい、正確なトルク測定を期待できない。換言すると、歪ゲージの貼り付け位置の誤差に基づく、トルク検出精度への影響が大きい。
【００２０】
そこで、本例の可撓性外歯歯車３においては、図３にその半断面を示すように、その半径方向の断面の厚さを設定している。全体としては、ダイヤフラム３３の厚さは、胴部３２に連続している内周縁の部分３３２、およびボス３４に連続している外周縁の部分３３３において厚く、半径方向の中心位置（ほぼ位置３３１に一致する位置）に向けて滑らかに漸減した状態に設定されている。例えば、ダイヤフラム３３の裏面３３ａを平坦面で規定し、表面３３ｂの側を湾曲面で規定することにより、このような厚さに設定している。
【００２１】
しかし、本例においては、位置３３１を含むダイヤフラム３３の半径方向の一定の幅の部分をトルク検出部分３３４と定め、この部分３３４の厚さｔ１を、隣接するダイヤフラムの部分の厚さｔ２、ｔ３よりも厚くなるように設定してある。通常は、このトルク検出部分３３４の厚さｔ１を所定の幅で一定の厚さとし、隣接する薄い厚さの部分には円弧状に滑らかに連続させる。
【００２２】
このように構成した本例のシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置１においては、その可撓性外歯歯車３のダイヤフラム３３に形成されている環状のトルク検出位置３３４の表面に歪ゲージ（図示せず）を貼り付けて、ここからの検出出力に基づき伝達トルクの検出を行なう。このトルク検出位置３３４は隣接するダイヤフラムの部分に比べて厚いので、この部分の半径方向に沿った曲げ応力の変動が抑制される。したがって、歪ゲージの貼り付け位置が僅かにずれた場合においても、トルク検出精度の低下を抑制することが可能となる。
【００２３】
図４には、ダイヤフラム３３の断面形状の別の例を示してある。この図に示す例では、ダイヤフラム３３の半径方向の中心位置において位置３３１を含むトルク検出部分３３４として、厚さが一定となるフラットな部分を形成してある。すなわち、ダイヤフラム３３の全体的な断面形状は、裏面側が平面で規定され、表面側が湾曲面によって規定されることにより、半径方向の中心位置が最も薄くなるように設定されている。この半径方向の中心位置においては、上記の応力が引っ張りから圧縮に切り換わる位置３３１を含む一定の幅の部分が、湾曲面ではなく平面によって規定され、これによって、一定の幅の環状のフラット部分がトルク検出部分３３４として形成されている。このような断面形状を備えた場合においても、ダイヤフラム３３における半径方向の中間部分でも曲げ応力の半径方向の変動を抑制することができる。したがって、歪ゲージの貼り付け位置の誤差に伴う検出トルク精度への影響を軽減することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置においては、そのシルクハット形状の可撓性外歯歯車のダイヤフラムの断面形状を、動作時に当該ダイヤフラムに発生する半径方向の曲げ応力分布が引張応力から圧縮応力に切り換わる点を含む当該ダイヤフラムの部分を、伝達トルクを検出するためのトルク検出部分とすると共に、当該トルク検出部分における半径方向に沿った応力変化を抑制できるように、当該トルク検出部分の厚さを隣接する部分に比べて相対的に厚くなるように設定した構成を採用している。あるいは、当該トルク検出部分の厚さを一定の幅で一定となるように設定した構成を採用している。したがって、本発明によれば、ダイヤフラムの半径方向の中間部分に位置する曲げ応力の切り換わり点を含む部分において発生する曲げ応力の変動が少ないので、歪ゲージの貼り付け位置の誤差に起因したトルク検出精度の低下を回避あるいは抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、本発明を適用可能なシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置の構成の概要を示す含軸断面図および正面図である。
【図２】一般的なシルクハット形状の可撓性外歯歯車のダイヤフラムの部分に発生する半径方向に沿った曲げ応力分布を示す説明図である。
【図３】図１のシルクハット形状の可撓性外歯歯車のダイヤフラムの部分の半径方向に沿った断面形状を示す半断面図である。
【図４】図３の可撓性外歯歯車のダイヤフラムの部分の別の断面形状を示す半断面図である。
【符号の説明】
１    シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置
２    剛性内歯歯車
２１  内歯
３    シルクハット形状の可撓性外歯歯車
３１  外歯
３２  胴部
３３  ダイヤラフム
３３１  曲げ応力の切り換わり点
３３２  ダイヤフラムの内周縁の部分
３３３  ダイヤフラムの外周縁の部分
３３４  ダイヤフラムの半径方向の中間に形成したトルク検出部分
３４    ボス
４    波動発生器
【図１】
0003575719.tif 000002
【図２】
0003575719.tif 000003
【図３】
0003575719.tif 000004
【図４】
0003575719.tif 000005