JPH09229147A - トルク検出部を備えたシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置にお
いて、歪ゲージを可撓性外歯歯車のダイヤフラムの部分
に貼り付けて伝達トルクを精度良く検出可能にするこ
と。 【解決手段】 シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置
１においては、そのシルクハット形状の可撓性外歯歯車
３のダイヤフラム３３の半径方向の断面形状を、動作時
に当該ダイヤフラム３３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３３１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３３４とすると共に、当該トルク検
出部分３３４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３３４の厚さｔ１を
隣接する部分の厚さｔ２、ｔ３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。トルク検出部分
３３４では半径方向に沿った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できる。

Description

【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（３１
ａ、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３
３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３
３２、およびボス３４に連続している外周縁の部分３３
３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３
３４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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。