(57)【要約】      （修正有）【課題】設定した許容トルクの間だけ駆動力を伝達し、過負荷時には空回りし、また負荷が許容トルク内に戻ると駆動力を正しく伝達し、かつサーボモータとして制御が復帰可能となる歯車装置を提案する。【解決手段】歯車減速機を備えたサーボモータ用の歯車装置において、出力軸３に駆動力を伝達する歯付ベルトを圧接状態で取り付け、歯付ベルトの外周面に形成された歯車状の歯を歯車減速機の最終段の歯車と噛合させて平常時の駆動力の伝達を行うように構成し、出力軸に許容範囲を超えるトルクが掛かった条件下でのみ、歯付ベルトの内周面と出力軸の外周面間に滑り現象が発生するように構成したことを特徴とする歯車装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯車減速機を備えたサーボモータ用の歯車装置において、出力軸に駆動力を伝達する歯付ベルトを圧接状態で取り付け、この歯付ベルトの外周面に形成された歯車状の歯を歯車減速機の最終段の歯車と噛合させて平常時の駆動力の伝達を行うように構成し、出力軸に許容範囲を超えるトルクが掛かった条件下でのみ、前記歯付ベルトの内周面と出力軸の外周面間に滑り現象が発生するように構成したことを特徴とする歯車装置。
【請求項２】
歯車減速機を備えたサーボモータ用の歯車装置において、出力軸に円板状のクラッチホイールを形成し、このクラッチホイールに円板状のクラッチディスクを取り付け、このクラッチディスクを介して歯車減速機の最終段の歯車と噛合する仲介歯車をクラッチホイールに圧接状態で取り付け、この仲介歯車の外周面に歯車状の歯を形成し、この仲介歯車の歯を歯車減速機の最終段の歯車と噛合させて平常時の駆動力の伝達を行うように構成し、出力軸に許容範囲を超えるトルクが掛かった条件下でのみ、前記クラッチディスクを介して、クラッチホイールと仲介歯車の対接面間に滑り現象が発生するように構成したことを特徴とする歯車装置。
【請求項３】
歯車減速機を備えたサーボモータ用の歯車装置において、出力軸に円板状のクラッチホイールを形成し、このクラッチホイールに円板状のクラッチディスクを取り付け、前記クラッチホイールにおけるクラッチディスクの対接面に溝部を形成し、このクラッチディスクを介して歯車減速機の最終段の歯車と噛合する仲介歯車をクラッチホイールに圧接状態で取り付け、この仲介歯車の外周面に歯車状の歯を形成し、この仲介歯車の歯を歯車減速機の最終段の歯車と噛合させて平常時の駆動力の伝達を行うように構成し、出力軸に許容範囲を超えるトルクが掛かった条件下でのみ、前記クラッチディスクを介して、クラッチホイールと仲介歯車の対接面間に滑り現象が発生するように構成したことを特徴とする歯車装置。
【請求項４】
前記溝部が、複数の点状溝又は複数の線状溝で形成されることを特徴とする請求項３に記載の歯車装置。
【請求項５】
前記溝部が、複数の放射線状溝又は放射線状に配された複数の点溝で形成されることを特徴とする請求項３に記載の歯車装置。
【請求項６】
前記溝部が、複数の同芯円溝又は渦巻き溝で形成されることを特徴とする請求項３に記載の歯車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車装置に関し、さらに詳しくはサーボモータに内蔵される歯車装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーボモータのなかでも、特に超小型サーボモータは、歯車により減速されて高トルクを出力するが、負荷トルクが許容トルクを超えると、強度的観点から歯車減速機の最終段の歯車が犠牲的に折れる（破壊される）設計となっており、装置にとって安全な設計となっている。
しかし、過負荷による歯車折損以降は、歯車部品を交換しない限り、歯車折損以前のように駆動力を伝達することはできず、歯車装置としての使用ができない結果となってしまう。
【０００３】
上記の問題に対処するため、本発明では、設定した許容トルクの間だけ駆動力を伝達し、過負荷時には空回りし、また負荷が許容トルク内に戻ると駆動力を正しく伝達し、かつサーボモータとして制御が復帰可能となる歯車装置を提案する。
この歯車装置は、超小型のサーボモータ内に組み込まれるものであり、そのサーボモータは各種ロボット、アクチュエータや模型の関節部などに取り付けて利用されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−３１８５１号公報
【特許文献２】特開２０１５−１６９２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、模型に使用されるサーボモータ(模型用サーボモータ)は、その目的上超小型で、軽量かつ安価であるという条件に合わせて設計され、そのような制限下でありながら高トルクに対応し、高速かつ高精度な制御が可能であるという特性も兼ね備えている。そのため、昨今では模型用以外にも、関連技術の専門家や研究者間では、各種実験装置のアクチュエータとして模型用サーボモータの利用が普遍的に行われている。
【０００６】
このようなサーボモータの内部には、モータからの駆動力を伝達するため歯車減速機が装着されているが、その出力軸に過負荷が掛かり、許容範囲を超えたトルクが出力軸に逆入力されると、安全性の観点から歯車減速機の最終段の歯車の歯が折損するように設計されていた。これにより、歯車装置側の安全性は確保され、折損後は、折損した歯車を交換すれば歯車装置の再使用が可能となるものであった。しかしながら、この歯車交換が行われるまでは、歯車装置の使用ができないという問題点があった。
【０００７】
一方、軸受メーカからトルクリミッタとして使用可能な機械要素が製品化されているが、既存の歯車装置にこのようなトルクリミッタを後付けする場合には、歯車装置の外部に取り付ける構造になるため、歯車装置全体の容積が必然的に増大してしまい、小型で軽量であるという条件の歯車装置を必要とする現場では、その要望に沿うことができないという問題点もあった。
本発明は、上記の全ての問題点を解消した、歯車装置を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、前記課題を解決すべく検討を行った結果、
歯車減速機を備えたサーボモータ用の歯車装置において、出力軸に駆動力を伝達する歯付ベルトを圧接状態で取り付け、この歯付ベルトの外周面に形成された歯車状の歯を歯車減速機の最終段の歯車と噛合させて平常時の駆動力の伝達を行うように構成し、出力軸に許容範囲を超えるトルクが掛かった条件下でのみ、前記歯付ベルトの内周面と出力軸の外周面間に滑り現象が発生するように構成したことを特徴とする歯車装置である。
【０００９】
請求項２の発明は、前記課題を解決すべく検討を行った結果、
歯車減速機を備えたサーボモータ用の歯車装置において、出力軸に円板状のクラッチホイールを形成し、このクラッチホイールに円板状のクラッチディスクを取り付け、このクラッチディスクを介して歯車減速機の最終段の歯車と噛合する仲介歯車をクラッチホイールに圧接状態で取り付け、この仲介歯車の外周面に歯車状の歯を形成し、この仲介歯車の歯を歯車減速機の最終段の歯車と噛合させて平常時の駆動力の伝達を行うように構成し、出力軸に許容範囲を超えるトルクが掛かった条件下でのみ、前記クラッチディスクを介して、クラッチホイールと仲介歯車の対接面間に滑り現象が発生するように構成したことを特徴とする歯車装置である。
【００１０】
請求項３の発明は、前記課題を解決すべく検討を行った結果、
歯車減速機を備えたサーボモータ用の歯車装置において、出力軸に円板状のクラッチホイールを形成し、このクラッチホイールに円板状のクラッチディスクを取り付け、前記クラッチホイールにおけるクラッチディスクの対接面に溝部を形成し、このクラッチディスクを介して歯車減速機の最終段の歯車と噛合する仲介歯車をクラッチホイールに圧接状態で取り付け、この仲介歯車の外周面に歯車状の歯を形成し、この仲介歯車の歯を歯車減速機の最終段の歯車と噛合させて平常時の駆動力の伝達を行うように構成し、出力軸に許容範囲を超えるトルクが掛かった条件下でのみ、前記クラッチディスクを介して、クラッチホイールと仲介歯車の対接面間に滑り現象が発生するように構成したことを特徴とする歯車装置である。
【００１１】
請求項４の発明は、前記溝部が、複数の点状溝又は複数の線状溝で形成されることを特徴とする請求項３に記載の歯車装置である。
【００１２】
請求項５の発明は、前記溝部が、複数の放射線状溝又は放射線状に配された複数の点溝で形成されることを特徴とする請求項３に記載の歯車装置である。
【００１３】
請求項６の発明は、前記溝部が、複数の同芯円溝又は渦巻き溝で形成されることを特徴とする請求項３に記載の歯車装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、出力軸に掛かるトルクが、歯車装置の許容トルクの範囲内にある際には、歯車装置が設計通りの駆動力を出力軸に伝達することができ、一方異常事態で過負荷が発生し、出力軸に許容トルクを超えるトルクが掛かった際には、出力軸に駆動力を伝達する部材の最終段位置付近で駆動力を逃がすための滑り現象(スリップ)を発生させることで、歯車装置の折損を防止することが可能となるという優れた効果を発揮する。
特に、本発明に係る歯車装置を人間の関節の動作を補助する装置に装着して使用した場合には、過負荷が掛かった際にスリップが発生して装着者の安全が確保され、衣服の中に収まって装着感も向上するなどの効果も期待できる。
【００１５】
さらに従来の歯車装置では、折損した歯車の交換が完了する迄は、歯車装置の再起動が困難であったが、本発明では過負荷が解消し、出力軸に掛かるトルクが許容範囲内に戻った際には、歯車交換などの特別の操作を要することなく、自動的に歯車装置の正規の動きを復元させ、正常な駆動力の伝達が行えるようになるという優れた効果を発揮する。
【００１６】
加えて、請求項３乃至請求項６の発明は、クラッチホイールに溝部を形成したため、溝部がないクラッチホイールと比較して、クラッチホイールとクラッチディスク間のリミットトルクが向上し、その結果、リミットトルクが溝部のないときのおよそ1.3倍となる効果が達成できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る歯車装置の一部縦断正面図である。
【図２】本発明に係る歯車装置の他の実施例の一部縦断正面図である。
【図３】本発明に係る歯車装置を組み込んだサーボモータを、人間の関節動作を補助する装置に装着した使用例を示す斜視図である。
【図４】グラフである。
【図５】本発明に係るクラッチホイールの一実施例で、（Ａ）は底面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図６】本発明に係るクラッチホイールの他の実施例で、（Ａ）は底面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図７】本発明に係るクラッチホイールの他の実施例で、（Ａ）は底面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図８】本発明に係るクラッチホイールの他の実施例で、（Ａ）は底面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図９】本発明に係るクラッチホイールの他の実施例で、（Ａ）は底面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図１０】グラフである。
【図１１】グラフである。
【図１２】グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下図面に従って本発明の実施の形態を説明するが、これらは例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。
【００１９】
まず第１の実施例を図１に基づき説明する。
サーボモータ(図示しない)から駆動力を入力(伝達)される第一歯車１と同軸に回転可能に取り付けられているピニオン歯車２が、出力軸３と同軸に形成されているプーリ４の外周に圧接状態で取り付けられた歯付ベルト５の外周面に形成された歯車状の歯部５Ａと噛合している。
ここでプーリ４は歯付ベルト５を圧接状態で取り付けられれば良いので、必ずしも歯車状である必要はなく、外周面が平滑面からなる円板状を呈する形状のものであっても構わない。
【００２０】
また歯付ベルト５は、ゴム製(天然ゴム、合成ゴムいずれでもよい)、塩化ビニルを中心とする樹脂製、あるいはこれらの混合系の素材等で形成され、その内周面はプーリ４の外周面と圧接状態で接しており、歯付ベルト５の外周面に形成された歯車状の歯部５Ａは前記ピニオン歯車２と噛合しているため、サーボモータの駆動力は、図示しない複数段の減速歯車を経由して最終的に第一歯車１に伝達され、さらに第一歯車１と同軸に形成されているピニオン歯車２に伝達され、さらに歯付ベルト５を介してプーリ４及び出力軸３に伝達される。
【００２１】
出力軸３に掛かる負荷が、歯車装置の許容トルクの範囲内にある状態下では、上記の作動状況の下、正常な駆動力伝達が行われる。
一方、出力軸３に掛かる負荷が、歯車装置の許容トルクの範囲外(許容トルク範囲を超えた場合)になった状態下では、歯付ベルト５とプーリ４の圧接箇所で滑り現象が発生することとなり、サーボモータの駆動力は出力軸３に伝達されない状況となる。
この滑り現象の発生により、出力軸３に過負荷が掛かっている状況下では、無理に駆動力が出力軸に伝達されないため、歯車装置のいかなる箇所も折損事故を起こさない結果となる。歯車装置の折損箇所が発生しないため、従来のような折損箇所の修復、交換という作業は一切必要がなくなる。
【００２２】
なお、人の動作を補助する場合には、その目的、装着する関節、装着者の状態に応じて許容すべき伝達トルク（許容トルク）を適宜調整する必要がある。
第１の実施例では、許容トルクの調整は、プーリ４の直径、プーリ４とピニオン歯車２との軸間距離等を調整することで対応することができる。
【００２３】
出力軸３に掛かる過負荷が排除（解消）されない限り、上記の滑り現象は継続するが、必要であれば一定時間の経過があればサーボモータの駆動力の発生を止めるような検知機構を別途設け、歯車装置の安全性の向上をさらに図るようにしてもよい。
ついで出力軸３に掛かる過負荷が排除（解消）された場合には、上記の滑り現象は自動的に解消され、所期の目的通り正常な駆動力伝達が行える状態に復元され、出力軸３は正常運転を行えることとなる。
【００２４】
次に第２の実施例を図２に基づき説明する。
出力軸３と同軸に形成されている円板状のクラッチホイール６と、このクラッチホイール６に取り付けられた円板状のクラッチディスク７を介して仲介歯車８が圧接状態で取り付けられている。なお図中、符号９はギヤボックスを示す。
【００２５】
またクラッチディスク７は、ゴム製(天然ゴム、合成ゴムいずれでもよい)、塩化ビニルを中心とする樹脂製、あるいはこれらの混合系の素材等で形成され、クラッチディスク７の上面はクラッチホイール６と圧接状態で接しており、クラッチディスク７の下面は仲介歯車８と圧接状態で接しており、この仲介歯車８の歯部８Ａは、サーボモータ(図示しない)から駆動力を入力(伝達)される第一歯車１と同軸に回転可能に取り付けられているピニオン歯車２と噛合して平常時の駆動力の伝達を行う。
仲介歯車８の歯部８Ａは前記ピニオン歯車２と噛合しているため、サーボモータの駆動力は、図示しない複数段の減速歯車を経由して最終的に第一歯車１に伝達され、さらに第一歯車１と同軸に形成されているピニオン歯車２に伝達され、さらに仲介歯車８、クラッチディスク７を介してクラッチホイール６及び出力軸３に伝達される。
【００２６】
出力軸３に係る負荷が、歯車装置の許容トルクの範囲内にある状態下では、上記の作動状況の下、正常な駆動力伝達が行われる。
一方、出力軸３に掛かる負荷が、歯車装置の許容トルクの範囲外(許容トルク範囲を超えた場合)になった状態下では、前記クラッチディスク７を介して、クラッチホイール６と仲介歯車８の対接面間に滑り現象が発生することとなり、サーボモータの駆動力は出力軸３に伝達されない状況となる。
この滑り現象の発生により、出力軸３に過負荷が掛かっている状況下では、無理に駆動力が出力軸３に伝達されないため、歯車装置のいかなる箇所も折損事故を起こさない結果となる。
【００２７】
なお、クラッチディスク７と、クラッチホイール６や仲介歯車８との圧接状態を確保する手段は、摩擦方式であっても、磁力方式であっても構わない。
摩擦方式の場合は、クラッチディスク７が摩擦板で形成され、スラスト方向へのスラスト荷重の微調整（許容トルクの調整）は、摩擦板の材質、板厚、クラッチディスク７と、クラッチホイール６や仲介歯車８とのスラスト方向へ押し付ける力を適宜調整して行うこととなる。
磁力方式の場合は、クラッチディスク７が磁性ディスクで形成され、スラスト方向へのスラスト荷重の微調整（許容トルクの調整）は、磁石の種類、磁性の強さ、極性の数、クラッチディスク７と、クラッチホイール６や仲介歯車８との距離を適宜調整して行うこととなる。
ただしスラスト方向の押し付け力を調製する場合、スラスト荷重に耐えられ、かつ滑らかに回転できる軸受の使用が重要な条件となる。
【００２８】
出力軸３に掛かる過負荷が排除（解消）されない限り、上記の滑り現象は継続するが、必要であれば一定時間の経過があればサーボモータの駆動力の発生を止めるような検知機構を別途設けるようにしてもよい。
ついで出力軸３に掛かる過負荷が排除（解消）された場合には、上記の滑り現象は自動的に解消され、所期の目的通り正常な駆動力伝達が行える状態に復元されることとなる。
【００２９】
図３は、本発明に係る歯車装置を組み込んだサーボモータを、人間の関節動作を補助する装置に装着した使用例を示す斜視図である。
バッテリ１０を備えた腰バンド１１、電気信号を伝えるケーブル１２、超小型サーボモータ１３、圧力センサ１４などで人の動作（足首動作）を補助する装置１５を構成した。
この装置１５は、図３のような足首動作に限られるわけではなく、全身の動作の介助に応用できることは言うまでもない。
図３に示すように、装置１５を被験者に装着することで、許容トルクの範囲内では歩行の介助を行うことができ、過負荷が掛かった（許容トルクを超えた）際には、歯車装置の一部が滑り現象（スリップ）を起こすことで、装置１５の安全性が確保される。この装置１５の全体は、衣服の中に収納されることとなる。
【００３０】
上記の使用例において、許容トルク(トルクリミット)を超えた場合でも、滑り現象を発生している個所は、滑りながらも許容トルク範囲内でトルク伝達を維持するため、介助目的の補助力が完璧になくなる(ゼロになる)わけではなく、また戻すべき方向へのトルクを感じながら適宜関節を動かすことができるため、人間の関節の動作補助に適した装置となる。
例えば、本装置を歩行補助に使用した場合、突発的な状況に遭遇(段差に接近、急な動作を必要とするなど)した際には、目標の動作と実際の動作に差異(ギャップ)があったとしても、装着者のその時の歩行状況に応じて、安全な姿勢の確保及び歩容の確保をすることは、極めて重要なことである。
同様に、装着時に装着者に圧迫感や違和感を持たせないように、それらの軽減を図ることも重要である。
本発明によれば、これらの要請にも十分に応えることが可能である。
【００３１】
ついで、摩擦板タイプの場合、スラスト方向に押し付ける量に応じて、摩擦板(クラッチディスク７)へのスラスト荷重を高め、許容トルクを変化させることが可能となる。
図４のグラフは、摩擦板(クラッチディスク７)の押し付け量に対する許容トルクの変化の一例を示したグラフで、縦軸はトルク（Ｎｍ）を表し、横軸はクラッチディスクの押し付け量（ｍｍ）を表し、クラッチディスク７の直径は１４ｍｍ、板厚は１ｍｍ、素材は天然ゴムを使用した。図中の記号で、○印は姿勢維持トルクを表し、△印は滑りトルクを表している。
グラフの数値は、線形的な変化を示しており、変化を示す勾配は摩擦板(クラッチディスク７)の直径や摩擦板(クラッチディスク７)の材質、厚みなどにより自由に変更可能である。
【００３２】
つぎに、クラッチホイール６におけるクラッチディスク７の対接面に溝部１６を形成する実施例を図５乃至図９に示す。
溝部１６の寸法は自由に設定できるが、点状溝の場合には、直径寸法０．５〜１．５ｍｍ、深さ寸法０．２〜０．４ｍｍ、線状溝の場合には、幅寸法０．５〜１．５ｍｍ、深さ寸法０．２〜０．４ｍｍで形成することが好ましい。
図５は、幅寸法１ｍｍ、深さ寸法０．３ｍｍの直線溝を１２０度の間隔で３本配した例である。
図６は、幅寸法１ｍｍ、深さ寸法０．３ｍｍの直線溝を９０度の間隔で４本配した例である。
図７は、幅寸法１ｍｍ、深さ寸法０．３ｍｍの直線溝を４５度の間隔で８本配した例である。
図８は、幅寸法１ｍｍ、深さ寸法０．３ｍｍの同芯円溝を２本配した例である。
図９は、直径寸法１ｍｍ、深さ寸法０．３ｍｍの点状溝を放射線状に複数配した例である。
なお、上記の説明では、溝部１６を形成する位置を、クラッチホイール６におけるクラッチディスク７の対接面としているが、これに加えてクラッチホイール６におけるクラッチディスク７の対接面と反対側の面にも溝部１６を形成してもよいことは言うまでもない。
クラッチホイール６の両面に溝部１６を形成した場合には、クラッチホイールが両面から圧接された際に、その圧接面に均等に効果的に摩擦力が発生することとなる。
【００３３】
クラッチディスク７は、素材としてＮＢＲ（アクリロニトリル・ブタジエンゴム）やＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）が好適であり、その直径は１４ｍｍ〜１８ｍｍが好適であり、図１０〜図１２のグラフに示すような良好な結果が得られた。
【００３４】
図１０のグラフによれば、クラッチディスクを増やしていった時の姿勢維持できる限界のトルクを直径１４ｍｍと直径１８ｍｍとで比較した図で、直径を大きくすると明らかに限界トルクが増加していることが判明した。
【００３５】
図１１のグラフは、クラッチディスクの素材の相違と、直径の相違で限界トルクが異なることを示す図で、姿勢維持するがスリップが始まるトルク、姿勢維持できる限界トルクを、直径１４ｍｍと、直径１８ｍｍ、溝部の有無で比較した図であり、直径を大きくすると、あるいは溝部を形成すると、明らかに限界トルクが増加していることが判明した。
【００３６】
図１２のグラフは、負荷トルクと姿勢維持できなくなるまでの負荷繰り返し数との関係（ＳＮ曲線）を、溝部の有無で比較したもので、ＮＢＲは７５回、ＰＶＣは６４回で曲線が交差し、負荷トルクによって疲労強度が高いタイプが異なることが判明した。ここで溝部がある場合の結果とは、図５に示した１２０度の間隔で３本の直線溝２を形成した実施例に従った。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、歯車装置を製造し、販売し、使用するすべての産業において利用される。
【符号の説明】
【００３８】
１  第一歯車
２  ピニオン歯車
３  出力軸
４  プーリ
５  歯付ベルト
５Ａ  歯付ベルトの歯部
６  クラッチホイール
７  クラッチディスク
８  仲介歯車
８Ａ  仲介歯車の歯部
９  ギヤボックス
１０  バッテリ
１１  腰バンド
１２  ケーブル
１３  超小型サーボモータ
１４  圧力センサ
１５  人の動作を補助する装置
１６  クラッチホイールに形成した溝部
【図１】
2018028388.tif 000003
【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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【図１１】
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【図１２】
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