JP3117756B2 - 変速装置および高減速比減速装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、変速装置に関するもの
で、工業用のロボット、ロボットハンド、工場用各種自
動化装置、その他サーボ装置等の特に省スペースが要求
される分野で広く利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の高変速比の変速装置とし
て実用に供されているものとしては、遊星歯車装置、ト
ロコイド変速機、ハーモニックドライブ（商品名）変速
装置（撓み噛み合い式歯車装置または波動歯車装置が一
般名称である）等がある。

【０００３】特にハーモニックドライブ変速機は、ロボ
ットアームの旋回用に、減速機として用いられた例があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】遊星歯車装置や、トロ
コイド変速機を用いたものは、入力軸と出力軸とが同軸
的に配設されることから、電動機その他の原動機からの
駆動力の入力方法が限定され、装置の薄型化に限界があ
った。

【０００５】ハーモニックドライブ変速機Ｈは、図２に
示すように軸方向に直列に電動機Ｍを配設するため軸方
向の薄型化が困難であった。そのため上述のロボットア
ームのようにスペースに余裕が有る場合は良いが、ロボ
ットハンドの指のようにスペース上の余裕が無く制約が
大きい場所では未だ適用された例は無かった。

【０００６】また、高減速比の減速機では、摩擦が大き
いため、精度良くトルクを検出するためには出力軸側に
トルクセンサを取り付ける必要がある。しかし、減速機
では、出力軸が静止系に対して回転するので、信号を取
り出すためにスリップリング、テレメータ、非接触型ト
ルク検出器および配線等が必要であった。ところが、上
記機器はノイズ、ダイナミックレンジ、コスト、検出精
度および配線の取り廻し等の点で問題があった。

【０００７】本発明は、変速装置の軸方向の薄型化を図
り、狭いスペースでの利用を可能にすることを目的とす
るものである。

【０００８】また本発明は、信号の検出および取り出し
を容易にするとともに、検出精度および信頼性の向上を
図ることを目的とするものである。

【０００９】上記従来技術の問題点および本発明の目的
に鑑み、本発明者は、ハーモニックドライブ変速機に注
目し、フレックススプライン内部の空間を有効利用すれ
ば軸方向の薄型化を図ることができるのではないかとい
うことに着眼した。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の変速装置（請求
項１に記載の第１発明）は、原動機を固着するアウター
ケースと、アウターケースに固着された可撓性の薄肉円
筒で外周に歯部を刻設するとともに連通孔を形成したフ
レックススプラインと、連通孔より介挿されフレックス
スプライン内に配置された歯部を有し、原動機の駆動力
を入力する入力軸と、フレックススプライン内に配設さ
れ入力軸の歯部と噛合する歯部を有する従動軸と、従動
軸に一体に形成されフレックススプラインの内周面を摺
動して回転する楕円筒状体のウェーブジェネレータと、
アウターケース内に相対回転自在に配置された環状の部
材であって内側壁にフレックススプラインの外周の歯部
の歯数より僅かに多い歯数の歯部を形成してフレックス
スプラインの歯部とウェーブジェネレータの楕円長軸部
分の２箇所で噛合するサーキュラスプラインと、ウェー
ブジェネレータおよびサーキュラスプラインの一方が上
記従動軸と一体的に形成され、残りのアウターケースと
フレックススプラインの一方と一体的に形成され、変速
に応じた駆動力を出力する出力部材と、から成るもので
ある。

【００１１】本発明の高減速比減速装置（請求項２に記
載の第２発明）は、前記アウターケースおよびフレック
ススプラインを静止系に固定し、従動軸の歯部を構成す
る傘歯車をウェーブジェネレータと一体的に形成し、サ
ーキュラスプラインを出力部材と一体に形成して出力を
取り出すようにするとともに、フレックススプラインと
アウターケースとの固着部近傍のアウターケースに歪検
出器を配置して、入力軸の一部に近接したアウターケー
スまたはその他の静止部に回転角センサを装着したもの
である。

【００１２】

【作用】上記構成の第１発明の変速装置は、原動機の回
転が入力軸によってフレックススプラインの連通孔を通
過してその内部の歯部に伝達されこの歯部に噛合する従
動軸の歯部により向きを変えられ、従動軸を介してウェ
ーブジェネレータ、サーキュラスプラインのうちの一方
を回転駆動する。ウェーブジェネレータが、フレックス
スプラインの内周面上を摺動すると、フレックススプラ
インが弾性変形し、その楕円長軸部分のフレックススプ
ラインとサーキュラスプラインの各歯部が噛合し、その
噛合位置が除々に移動し一回転したとき、歯数の差の分
だけサーキュラスプラインが相対的に回転する。

【００１３】上記構成の第２発明の高減速比減速装置
は、フレックススプラインが静止系に固着されるので、
サーキュラスプラインがフレックススプラインの歯数と
の差に基づき、相対的に回転するとともに、フレックス
スプラインの固着部近傍のアウターケースに作用したト
ルクを歪検出器で検出し、入力軸の回転角を検出する。

【００１４】

【効果】上記構成および作用を奏する第１発明は、所定
の変速を可能にするとともに、従来軸方向に直列に配置
していた原動機をアウターケース外に配置して、その回
転をフレックススプライン内の空間を利用して伝える構
造としたため、軸方向の薄型化を実現するという効果を
奏する。

【００１５】上記構成および作用を奏する第２発明は、
効率の良い減速を可能にするとともに、静止しているア
ウターケースまたはその他の静止部に必要なセンサを配
置し信号線を引き廻すので、検出精度および信頼性が高
いという効果を奏する。

【００１６】

【実施例】上記第１および第２発明の第１実施例の高減
速比減速装置について、図１を用いて説明する。

【００１７】（第１実施例の構成） 第１実施例の高減速比減速装置は、有底の環状部材であ
ってその軸方向に対し直角に原動機としての電動機Ｍを
固着したアウターケース１と、モータの回転軸に固着さ
れモータの回転を伝達するアウターケース１の図１中下
部で軸支され、傘歯車２１を備えた入力軸２と、入力軸
２を通過させる２個の連通孔３２、３３を有し傘歯車２
１を内包するフレックススプライン３と、アウターケー
ス１の軸心に配置され入力軸２の傘歯車２１と噛合する
傘歯車４１を備えた従動軸４と、従動軸４の傘歯車４１
と一体的に形成されフレックススプラインの開放端側内
周面を摺動するウェーブジェネレータ５と、アウターケ
ース１に相対回転自在に支持された縦断面コ字状のサー
キュラスプライン６と、サーキュラスプライン６と一体
的に形成された出力部材７と、アウターケース１の底部
１Ｂに配設された複数個の歪検出器８と、アウターケー
ス１の図１中側壁下部に配設した回転角センサ９とから
成る。

【００１８】アウターケース１は、機台に対して固定さ
れた縦断面コ字状の部材であって、底部１Ｂ中央に開口
１１を有し、フレックススプライン３を固着する固着部
１２を有するとともに、入力軸２を通過させる２個の連
通孔１３、１４を有する。

【００１９】入力軸２は、モータＭの回転軸と固着する
ための縦断面コ字状の固着部２２とフレックススプライ
ン３内の位置でネジにより傘歯車２１を固着し、アウタ
ーケース１の下側壁の通過孔１４を通過して延在する延
在部２３とを有する。

【００２０】フレックススプライン３は、金属弾性材よ
り成る縦断面コ字状の部材３０で構成され、底部中央部
３１は厚肉であるアウターケース１の固着部１２に固着
され、図１中上下の薄肉の側壁底部寄りの部分に連通孔
３２、３３が形成されているとともに、開放端側外周の
歯部３４にはインボリュート歯形が刻設されている。

【００２１】従動軸４は、入力軸２の傘歯車２１と噛合
し、サーキュラスプライン６の底部側の第２部材６２の
中央に固着したシャフト４０上を回転摺動する傘歯車４
１で構成される。

【００２２】ウェーブジェネレータ５は、シャフト４０
上に軸支され、傘歯車４１と一体的に形成された楕円状
のカム５１のその外周に嵌合したボールベアリング（図
２において５２で示すように）で構成され、ベアリング
の内輪は楕円カム５１に固定され、外輪はボールを介し
て弾性変形する。

【００２３】サーキュラスプライン６は、側壁中央で２
分割され、開放端側の第１部材６１が剛体のリング状部
材であって、内周の歯部６３にはフレックススプライン
３と同じピッチのインボリュート歯形が２枚だけ多く刻
設されるとともに、開放端外周がアウターケース１の突
出部によりベアリング支持されており、底部側の第２部
材６２がビスにより第１部材６１に固着されているとと
もに、底部寄り外周がアウターケース１によりベアリン
グ支持されている。

【００２４】出力部材７は、円形リング状の部材７０で
構成され、複数の皿ビスでサーキュラスプライン６の第
２部材６２の底部に固着されている。

【００２５】歪検出器８は、アウターケース１の底部１
Ｂのフレックススプライン３の底部を固定した部分の近
傍に複数個貼付され、出力軸に作用しているトルクに応
じて生じているアウターケースの歪の計測を可能にして
いる。

【００２６】回転角センサ９は、入力軸２のアウターケ
ース１の外部に延在した延在部２３にネジにより円板９
１を固着し、円板９１にスリット９Ｓを形成し、アウタ
ーケースにネジにより固着したケース９２に対向配置し
た光学センサ９３により非接触で入力軸２の回転角を検
出して、結果的に出力軸の回転角を検出するものであ
る。

【００２７】（第１実施例の作用） 上述の構成より成る第１実施例の高減速比減速装置は、
電動機Ｍの回転トルクが入力軸２によりフレックススプ
ライン３の内部の傘歯車２１より従動軸４の傘歯車４１
を介してウェーブジェネレータ５に伝達され、ウェーブ
ジェネレータ５が回転するとその長軸の両端部分に相当
するフレックススプライン３の外周に刻設した歯部３４
とサーキュラスプライン６の内周歯部６３と噛合するが
フレックススプライン３はアウターケース１に固着され
回転しないので、両者の歯数の差に対応する減速された
回転がサーキュラスプライン６に付与され、サーキュラ
スプライン６の第２部材６２と一体に形成された出力部
材７０から出力回転トルクが取り出される。

【００２８】第１実施例装置は、出力部材７０から出力
回転トルクが作用しているときの出力トルクを、アウタ
ーケース１の底部に固着した歪検出器８によりアウター
ケース１に生じている歪により検出するとともに、電動
機Ｍの回転軸と一体に回転する入力軸２の回転角を回転
角センサ９によって検出することにより出力部材７０の
回転角を検出している。すなわち、歪検出器８により検
出されたアウターケース１に生じている歪により作用す
るトルクを検出するとともに、回転角センサ９によって
検出された入力軸２の回転角から角度変位を検出し、検
出されたトルクおよび角度変位を、フックの法則に従う
ように、モータ出力を制御することで回転スティフネス
を制御的に設定することが可能になる。すなわち、かか
る検出値を用いて必要に応じて動力伝達系の回転剛性
（回転スティフネス）を制御的に可変とすることが可能
になる。

【００２９】（第１実施例の効果） 上記構成および作用を奏する第１実施例装置は、電動機
Ｍをアウターケース１の外部に配置して固着するととも
に、電動機Ｍの回転トルクの伝達をフレックススプライ
ン３の内部に配置した一対の傘歯車２１、４１によって
行うので、変速機と電動機および傘歯車を直列に配置し
ていた従来の装置に比べ軸方向長さを大幅に減少して、
薄型化を可能にするとともに、設計の自由度が増大し、
ロボットハンドの指への適用も可能にするという作用効
果を奏する。

【００３０】歪検出器８および回転角センサ９は、いず
れも静止しているアウターケース１およびそれに固着し
たケース９２に配置されているため、上述したように角
度、トルク、スティフネスの検出を可能にするととも
に、従来のように回転体内で検出するのに比べ、信号の
伝送にスリップリングその他の装置を用いる必要がなく
信号線の引き廻しも楽になるので、精度および信頼性の
向上に加え費用、工数の低減という実用上の効果を奏す
る。

【００３１】上述の実施例は、説明のために一例として
示したもので、本発明としてはそれらに限定されるもの
では無く、特許請求の範囲に記載の精神に反しない限り
変更および付加が可能である。

【００３２】上述の第１実施例では、フレックススプラ
イン３およびアウターケース１を機台に固着したが、サ
ーキュラスプライン６を固着してアウターケース１およ
びフレックススプライン３の減速回転を出力部材７によ
り取り出しても良い。

【００３３】また入力軸２に配設した傘歯車２１と噛合
する傘歯車４１を第１実施例ではウェーブジェネレータ
に一体的に固着して減速回転トルクを取り出したが、図
３に示すように傘歯車４１を従動軸４Ａを介してサーキ
ュラスプライン６Ａと一体的に形成し、フレックススプ
ライン３Ａをアウターケースとともに機台に固定し、入
力軸上に相対回転可能に配設され、ウェーブジェネレー
タ５Ａの傘歯と噛合した第２の中間傘歯車７Ｂを介して
第１の中間傘歯車７Ａを固着した出力部材７Ａからウェ
ーブジェネレータ５Ａの４０〜５０倍の増速回転トルク
を取り出す実施例も可能である。

【００３４】上記図３に示す例においてウェーブジェネ
レータ５Ａに連絡する出力部材７Ａを機台に固定し、フ
レックススプライン３Ａおよびアウターケースを出力部
材として差動回転すなわち入力軸に対してわずかな回転
速度差（数％）の回転トルクを取り出す実施例も可能で
ある。

【００３５】上述の実施例では傘歯車２１および４１に
よりトルク伝達と回転軸の方向の変換を行ったが、ウォ
ームギアおよびフェースギアその他用途に応じて適宜変
更し得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の高減速比減速装置の縦断
面図である。

【図２】従来の高減速比減速装置の縦断面図である。

【図３】本発明の他の実施例装置の縦断面図である。

【符号の説明】

１ アウターケース ２ 入力軸 ３ フレックススプライン ４ 従動軸 ５ ウェーブジェネレータ ６ サーキュラスプライン ７ 出力部材 ８ 歪検出器 ９ 回転角センサ ２１、４１ 傘歯車 ３２、３３ 連通孔

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原動機を固着するアウターケースと、 アウターケースに固着された可撓性の薄肉円筒で外周に
   歯部を刻設するとともに連通孔を形成したフレックスス
   プラインと、 連通孔より介挿されフレックススプライン内に配置され
   た歯部を有し、原動機の駆動力を入力する入力軸と、 フレックススプライン内に配設され入力軸の歯部と噛合
   する歯部を有する従動軸と、 フレックススプライン内に同軸的に配設されフレックス
   スプラインの内周面を摺動して回転する楕円筒状体のウ
   ェーブジェネレータと、 アウターケース内に相対回転自在に配置された環状の部
   材であって内側壁にフレックススプラインの外周の歯部
   の歯数より僅かに多い歯数の歯部を形成してフレックス
   スプラインの歯部とウェーブジェネレータの楕円長軸部
   分の２箇所で噛合するサーキュラスプラインと、 ウェーブジェネレータおよびサーキュラスプラインの一
   方が上記従動軸と一体的に形成され、 残りのアウターケースとフレックススプラインの一方と
   一体的に形成され、変速に応じた駆動力を出力する出力
   部材と、 から成ることを特徴とする変速装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記アウターケース
   およびフレックススプラインを静止系に固定し、従動軸
   の歯部を構成する傘歯車をウェーブジェネレータと一体
   的に形成し、サーキュラスプラインを出力部材と一体に
   形成して出力を取り出すようにするとともに、フレック
   ススプラインとアウターケースとの固着部近傍のアウタ
   ーケースに歪検出器を配置して、入力軸の一部に近接し
   たアウターケースまたはその他の静止部に回転角センサ
   を装着したことを特徴とする高減速比減速装置。