JPWO2017006441A1 - 波動歯車装置を備えた回転伝達機構 - Google Patents

Abstract

モーター（２）の回転駆動力を、減速機を介して、負荷側部材（５）に伝達する回転伝達機構（１）は、減速機として波動歯車装置（３）を使用しており、動力伝達系における波動歯車装置（３）以外の部材の許容負荷トルクは、予め定めた上限負荷トルクよりも大きい。波動歯車装置（３）の許容負荷トルクは、上限負荷トルク以下の値に設定したラチェッティングトルクによって規定されている。波動歯車装置（３）は過負荷状態においてラチェッティングが発生してメカニカルフューズとして機能する。トルクリミッタ等の別部材を追加することなく、他の動力伝達部材を過負荷状態から保護できる。

Description

本発明は、回転駆動源から出力される回転駆動力を減速機を介して負荷側部材に伝達する回転伝達機構に関し、さらに詳しくは、減速機として波動歯車装置が組み込まれた回転伝達機構に関する。

モーター等の回転駆動源から出力される回転を、減速機を介して減速して、負荷側部材に伝達する駆動装置においては、過負荷に対する安全性を確保することが重要な課題である。駆動装置の動力伝達系を構成している各部品に、それらの許容負荷トルクを超える過負荷トルクが作用することを防止するために、トルクリミッタ等のような伝達トルクが上限値を超えると滑りが生じる部品を追加して、動力伝達系の構成部品の破損を防止している。特許文献１には、モーターからの出力回転を伝達する動力伝達経路にトルクリミッタが挿入された駆動機構が提案されている。

一方、モーター等の回転駆動源からの出力回転を減速させて負荷側部材に伝達するための減速機として、バックラッシが無く位置決め精度の高い波動歯車装置が用いられる。特許文献２には、波動歯車装置を減速機として用いた減速機ユニットが提案されている。典型的な波動歯車装置としては、特許文献３、４に記載されているように、カップ形状の外歯歯車を備えたカップ型波動歯車装置、シルクハット形状の外歯歯車を備えたシルクハット型波動歯車装置、円筒状の外歯歯車を備えたフラット型波動歯車装置が知られている。

特開２０１５−５５３１０号公報 特開２００７−３２１８７９号公報 特開２０１１−１４４９１６号公報 特開２００９−１５６４６２号公報

従来の回転伝達機構においては、トルクリミッタなどの部品を配置して、他の回転力伝達部品の破損を防止している。トルクリミッタ等の部品を追加することによって、回転伝達系の質量、組み付け誤差、寸法の増加などが懸念される。

本発明の課題は、減速機を利用して、当該減速機以外の動力伝達系の構成部品が過負荷によって破損することを防止できるようにした回転伝達機構を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、
回転駆動源から出力される回転駆動力を、減速機を介して、負荷側部材に伝達する回転伝達機構であって、
前記減速機を含む複数の動力伝達部材から構成される動力伝達系を備えており、
前記減速機は波動歯車装置であり、
前記波動歯車装置以外の前記動力伝達部材の許容負荷トルクは、予め定めた上限負荷トルクよりも大きく、
前記波動歯車装置の許容負荷トルクは、前記上限負荷トルク以下の値に設定したラチェッティングトルクによって規定され、
前記波動歯車装置はメカニカルフューズとして機能することを特徴としている。

本発明においては、波動歯車装置の故障モードの一つに、過負荷時のラチェッティング（歯飛び）があることに着目し、過負荷時には、最初に、波動歯車装置にラチェッティングを発生させるようにしている。ラチェッティング発生後の波動歯車装置は、継続使用は出来なくなるが、当該波動歯車装置を所謂、メカニカルフューズとして機能させることで、動力伝達系を構成している他の部品が過負荷によって破損してしまうことを防止できる。

波動歯車装置は、一般的に、剛性の内歯歯車と、この内側に配置した可撓性の外歯歯車と、この内側に嵌めた楕円形輪郭の波動発生器とを備えている。波動発生器によって外歯歯車が楕円状に撓められて、部分的に内歯歯車にかみ合う。波動発生器は例えばモーターによって回転駆動され、波動発生器が回転すると、両歯車のかみ合い位置が円周方向に移動して、両歯車の歯数差（通常は、２枚の歯数差）に応じて、両歯車の間に相対回転が生じる。

外歯歯車が半径方向に撓められて内歯歯車に対して部分的にかみ合う。剛性の歯車同士のかみ合いからなる一般的な減速機、例えば、遊星歯車減速機における内歯歯車と遊星歯車とのかみ合いの場合に比べて、波動歯車装置では、両歯車の間において、同時にかみ合う歯数が多い。このため、減速機としての機能を損なうことなく、両歯車のかみ合い状態を調整して、両歯車の間のラチェッティングトルクを、他の動力伝達部材の許容伝達トルクよりも小さくして、波動歯車装置をメカニカルフューズとして機能させることができる。

例えば、前記波動歯車装置の剛性の内歯歯車および可撓性の外歯歯車のうちの双方あるいは一方の歯のうち、円周方向における一部分の歯の歯丈を、当該波動歯車装置のラチェッティングトルクとして前記上限負荷トルクよりも大きな値が得られる場合に比べて、短い歯丈に設定しておく。これにより、両歯車における短い歯丈の部分のかみ合い時にラチェッティングを発生させることができる。よって、波動歯車装置全体としての機能を損なうことなく、当該波動歯車装置をメカニカルフューズとして機能させ、動力伝達系の他の部品が過負荷状態になることを回避できる。

この代わりに、前記波動歯車装置における剛性の内歯歯車を当該波動歯車装置の固定側部材に締結固定する締結力を、前記波動歯車装置のラチェッティングトルクとして前記上限負荷トルクよりも大きな値が得られる場合に比べて、前記内歯歯車の円周方向における一部分について小さな締結力に設定してもよい。これにより、当該部分における前記内歯歯車と前記外歯歯車のかみ合い剛性がそれ以外の部分のかみ合い剛性よりも低くなる。よって、当該部分における両歯車のかみ合い時にラチェッティングを発生させることができ、波動歯車装置全体としての機能を損なうことなく、当該波動歯車装置をメカニカルフューズとして機能させる、動力伝達系の他の部品が過負荷状態になることを回避できる。

なお、場合によっては、前記波動歯車装置の剛性の内歯歯車および可撓性の外歯歯車のうちの双方あるいは一方の歯の歯丈を、当該波動歯車装置のラチェッティングトルクが前記上限負荷トルクよりも大きな値が得られる場合に比べて、短い歯丈に設定することも可能である。

また、前記波動歯車装置における可撓性の外歯歯車を半径方向に撓めて剛性の内歯歯車に噛み合わせる際における前記外歯歯車の半径方向への撓み量を、前記波動歯車装置のラチェッティングトルクとして前記上限負荷トルクよりも大きな値が得られる場合に比べて、少ない撓み量に設定しておくことも場合によっては可能である。

本発明を適用したカップ型波動歯車装置が減速機として備わっている回転伝達機構の一例を示す説明図である。 図１のカップ型波動歯車装置を示す概略縦断面図および概略正面図である。 外歯歯車の外歯の歯丈を短くした場合を示す説明図である。 内歯歯車の円周方向の一部を低剛性部分とした場合を示す説明図である。 外歯歯車の撓み量を少なくした場合を示す説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した回転伝達機構の実施の形態を説明する。

図１は、実施の形態に係る回転伝達機構を示す説明図である。回転伝達機構１は、回転駆動源であるモーター２と、モーター２の出力回転を減速するカップ型波動歯車装置３と、カップ型波動歯車装置３から出力される減速回転を伝達するカップリング４と、カップリング４を介して伝達される減速回転によって駆動するロボットハンドなどの負荷側部材５とを備えている。

図においては、説明を簡単にするために、動力伝達系６を構成する動力伝達部材として、カップ型波動歯車装置３およびカップリング４のみを示している。一般的な回転伝達機構は、モーター２と負荷側部材５との間の動力伝達系は、より多数の部品から構成される。

回転伝達機構１において、カップ型波動歯車装置３以外の動力伝達部品、例えば、カップリング４、負荷側部材５の側の部材の許容負荷トルクは、予め定めた上限負荷トルクよりも大きな値に設定されている。これに対して、カップ型波動歯車装置３の許容負荷トルクは、上限負荷トルク以下の値に設定したラチェッティングトルクによって規定されている。

図２（ａ）はカップ型波動歯車装置３を示す概略縦断面図および概略正面図である。カップ型波動歯車装置３は、筒状の装置ハウジング１１と、この装置ハウジング１１に同軸に固定した円環状の剛性の内歯歯車１２と、この内側に同軸に配置されているカップ形状の外歯歯車１３と、この内側に嵌めた楕円状輪郭の波動発生器１４とを備えている。波動発生器１４はモーター２の出力軸２ａに連結され、モーター２によって回転駆動される。

波動発生器１４によって、カップ形状の外歯歯車１３における外歯１３ａが形成されている部分は楕円状に撓められ、その長軸Ｌの両端部分に位置する外歯１３ａが内歯歯車１２の内歯１２ａにかみ合っている。波動発生器１４がモーター２によって高速回転すると、両歯車１２、１３の歯数差に応じた相対回転が当該両歯車の間に発生する。内歯歯車１２が固定側部材である装置ハウジング１１に固定されているので、外歯歯車１３が回転し、そのボス１３ｂに同軸に連結されている出力軸１３ｃから減速回転が出力され、カップリング４を介して負荷側部材５（図１参照）に伝達される。

ここで、波動歯車装置３の外歯歯車１３の外歯１３ａのうち、円周方向における一部分の歯丈、例えば、図３（ａ）において一点鎖線Ａで囲む領域内に位置する複数の外歯１３ａ（２）の歯丈を、それ以外の外歯１３ａ（１）に比べて、短い歯丈ｈ１にしてある。

図３（ｂ）は、標準の歯丈の外歯１３ａ（１）および短い歯丈ｈ１の外歯１３ａ（２）を示す説明図である。外歯１３ａ（２）の歯丈ｈ１は、当該波動歯車装置３のラチェッティングトルクが上限負荷トルクよりも大きな値が得られる場合の歯丈ｈ０に比べて、短い歯丈に設定されている。例えば、外歯１３ａ（２）の歯形は、想像線で示す歯丈ｈ０の外歯１３ａ（１）の歯形に、マイナスの転位を施すことにより得られる短い歯丈ｈ１の転位歯形とされている。

過負荷が加わると、短い歯丈ｈ１の外歯１３ａ（２）の部分が内歯１２ａにかみ合う状態においてラチェッティングが発生し、他の動力伝達部材が過負荷状態に陥ることを回避できる。すなわち、波動歯車装置３においては、その減速機としての機能を維持しつつ、そのラチェッティングトルクを上限負荷トルク以下の値とすることができる。波動歯車装置３が動力伝達系における最弱部であり、過負荷時においては、最初に、波動歯車装置３にラチェッティングが発生して破損し、他の部品が過負荷により破損することを回避できる。

ここで、外歯１３ａの代わりに内歯１２ａの歯丈を、円周方向の一部分において短い歯丈にしておいてもよい。外歯１３ａおよび内歯１２ａの双方において、円周方向における一部の外歯、内歯を短い歯丈にしておくことも可能である。

次に、波動歯車装置３における内歯歯車１２を当該波動歯車装置３の固定側部材である装置ハウジング１１に締結固定する締結力を低下させてもよい。すなわち、波動歯車装置３のラチェッティングトルクとして上限負荷トルクよりも大きな値が得られる場合に比べて、小さな値に設定して、両歯車のかみ合い剛性を、それらの円周方向における一部分について低下させ、ラチェッティングトルクを上下負荷トルク以下に下げることも可能である。

例えば、図２に示すように、内歯歯車１２は、円周方向に沿って所定のピッチで複数本の締結ボルト２１（図２（ａ）においては一点鎖線で示す。）によって装置ハウジング１１に締結固定される。内歯歯車１２における円周方向における一部分の締結ボルト、例えば、図２（ｂ）に示すように、３本の締結ボルト２１Ａによる締結力を、他の締結ボルト２１の締結力よりも小さくしておく。

この結果、締結ボルト２１Ａによって締結されている内歯歯車１２の部分と外歯歯車１３との間のかみ合い剛性は、内歯歯車１２の他の部分と外歯歯車１３との間のかみ合い剛性よりも低くなる。よって、当該締結ボルト２１Ａによって締結されている部分の内歯が外歯にかみ合う状態でラチェッティングトルクを上限負荷トルク以下にすることができる。

締結力を部分的に小さくする代わりに、内歯歯車１２における円周方向の一部分に、他の部分に比べて、半径方向への剛性が低い部分を形成しておいてもよい。

例えば、図４に示すように、円周方向における一部の締結ボルト２１によって締結されている内歯歯車の部分に、当該締結ボルト２１のボルト穴から半径方向の外方に向けて外周面まで延びるすり割り３１を設けて、他の部分に比べて半径方向の剛性を低下させておくことができる。

以上説明したように、本例の回転伝達機構１においては、その動力伝達系に配置されている減速機として波動歯車装置３を使用し、当該波動歯車装置３を動力伝達系における最弱部としてある。これにより、波動歯車装置をメカニカルフューズとして用いることができ、トルクリミッタ等の別部材を動力伝達系に追加することなく、動力伝達系の他の構成部品を過負荷状態に陥ることの無いように保護することができる。

また、波動歯車装置３は、剛性の歯車同士のかみ合いからなる遊星歯車減速機等とは異なり、弾性変形する歯車を備えており、歯車同士の同時かみ合い歯数が多い。よって、波動歯車装置の機能を損なうことなく、メカニカルフューズとして機能させることができる。

（その他の実施の形態）
なお、上記の波動歯車装置３はカップ型波動歯車装置であるが、シルクハット型波動歯車装置、フラット型波動歯車装置、その他の波動歯車装置を用いることができることは勿論である。

上記の波動歯車装置３の外歯歯車１３において、全ての外歯１３ａの歯丈を短い歯丈ｈ１にしておくことも可能な場合がある。

両歯車１２、１３のかみ合いを浅くしてラチェッティングトルクを小さくするために、外歯歯車１３の撓み量を小さくすることも可能な場合がある。真円の状態の外歯歯車１３のピッチ円が楕円状に撓められた後の形状を、楕円状のピッチ曲線と呼ぶものとする。この場合、外歯歯車１３の撓み量ｗは、長軸Ｌの位置において、ピッチ円直径Ｃとピッチ曲線の直径との差である。

図５に示すように、外歯歯車１３を半径方向に撓めて内歯歯車１２に噛み合わせる際における外歯歯車１３の半径方向への撓み量ｗ１を、波動歯車装置３のラチェッティングトルクとして上限負荷トルクよりも大きな値が得られる場合の撓み量ｗ０に比べて、少ない撓み量に設定してもよい。これにより、ラチェッティングトルクを上限負荷トルク以下の値に設定できる。

Claims (4)

1. 回転駆動源から出力される回転駆動力を、減速機を介して、負荷側部材に伝達する回転伝達機構であって、
   前記減速機を含む複数の動力伝達部材から構成される動力伝達系を備えており、
   前記減速機は波動歯車装置であり、
   前記動力伝達部材における前記波動歯車装置以外の部材の許容負荷トルクは、予め定めた上限負荷トルクよりも大きく、
   前記波動歯車装置の許容負荷トルクは、前記上限負荷トルク以下の値に設定したラチェッティングトルクによって規定され、
   前記波動歯車装置はメカニカルフューズとして機能する回転伝達機構。
2. 前記波動歯車装置の剛性の内歯歯車および可撓性の外歯歯車のうちの双方あるいは一方の歯のうち、円周方向における一部分の歯の歯丈は、当該波動歯車装置の許容負荷トルクが前記上限負荷トルクよりも大きな値になる場合に比べて短い歯丈に設定され、これにより、前記ラチェッティングトルクは前記上限負荷トルク以下の値となっている請求項１に記載の回転伝達機構。
3. 前記波動歯車装置における剛性の内歯歯車を当該波動歯車装置の固定側部材に締結固定する締結力は、前記波動歯車装置の許容負荷トルクが前記上限負荷トルクよりも大きな値となる場合に比べて、前記内歯歯車の円周方向における一部分について小さな締結力に設定され、これにより、前記ラチェッティングトルクが前記上限負荷トルク以下の値となっている請求項１に記載の回転伝達機構。
4. 前記波動歯車装置における剛性の内歯歯車における円周方向の一部分は、円周方向の他の部分に比べて半径方向の剛性を低くした低剛性部分であり、当該低剛性部分の内歯と外歯歯車の外歯とのかみ合い剛性が、それ以外の部分のかみ合い剛性よりも低く、これにより、前記ラチェッティングトルクが前記上限負荷トルク以下の値となっている請求項１に記載の回転伝達機構。

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