特許 7592378 トルクセンサ付き波動歯車装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-22

(45)【発行日】2024-12-02

(54)【発明の名称】トルクセンサ付き波動歯車装置

(51)【国際特許分類】

   F16H 1/32 20060101AFI20241125BHJP

   G01L 3/14 20060101ALI20241125BHJP

【ＦＩ】

F16H1/32 B

G01L3/14 G

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2024547685

(86)(22)【出願日】2023-02-14

(86)【国際出願番号】 JP2023004901

【審査請求日】2024-08-13

(73)【特許権者】

【識別番号】390040051

【氏名又は名称】株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ

(74)【代理人】

【識別番号】100090170

【弁理士】

【氏名又は名称】横沢 志郎

(72)【発明者】

【氏名】木野 学

【審査官】畔津 圭介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－３２０６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－６９４０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－４２８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－２０１０４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｈ １／３２

Ｇ０１Ｌ ３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

剛性の内歯歯車と、
前記内歯歯車の内側に同軸に配置した可撓性の外歯歯車と、
前記外歯歯車の内側に同軸に配置され、前記外歯歯車を非円形に撓めて前記内歯歯車に部分的にかみ合わせ、これら両歯車のかみ合い位置を円周方向に移動させる波動発生器と、
前記外歯歯車の外側に同軸に配置され、前記内歯歯車および前記外歯歯車を相対回転可能に支持する主軸受と、
前記外歯歯車を、前記主軸受の一方の軌道輪に連結固定するフランジと、
前記外歯歯車を介して伝達される回転トルクを検出するトルクセンサと、
を備えており、
前記外歯歯車はワイングラス形状をした外歯歯車であり、当該外歯歯車は、外周面に外歯が形成された半径方向に撓み可能な円筒状胴部、この円筒状胴部の一端から半径方向の内方に延びるダイヤフラム、このダイヤフラムの内周縁に連続して形成した剛性のボスを備え、当該ボスは、前記内周縁から、軸方向に沿って、前記円筒状胴部とは反対側に向かう第１方向に同軸に延びる中空軸部、および、この中空軸部の軸先端から半径方向の外方に同軸に広がる環状部を備えており、
前記フランジには、前記トルクセンサのトルク検出素子が配置されていることを特徴とする波動歯車装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記フランジは、前記軸方向の前記第１方向を向くフランジ外側端面を備えており、
前記トルク検出素子は、前記フランジ外側端面に取り付けられている波動歯車装置。

【請求項3】

請求項２において、更に、
前記フランジの前記フランジ外側端面の側に配置した前記トルクセンサのセンサ基板に搭載された温度センサおよび加速度センサを備えている波動歯車装置。

【請求項4】

請求項１において、
前記軸方向における前記内歯歯車と前記フランジの間に、前記主軸受が位置しており、
前記フランジは、
前記主軸受の前記一方の軌道輪である外輪における前記軸方向の前記第１方向を向く外輪端面に、同軸に固定した外周側部分、
前記外歯歯車の前記ボスにおける前記軸方向の前記第１方向を向くボス端面に、同軸に固定した内周側部分、および
前記外周側部分および前記内周側部分の間を繋ぐ中間部分を備えており、
前記中間部分における前記軸方向の前記第１方向を向くフランジ外側端面に、前記トルク検出素子が配置されている波動歯車装置。

【請求項5】

請求項４において、
前記フランジの前記中間部分はセンサ収納用凹部を備えており、
前記センサ収納用凹部は、前記外周側部分と前記内周側部分との間において、前記第１方向に開口し、当該第１方向とは逆の方向に所定の深さの凹部であり、
前記トルク検出素子が配置されている前記フランジ外側端面は、前記センサ収納用凹部の底面部分である波動歯車装置。

【請求項6】

請求項５において、更に、
前記センサ収納用凹部に配置した前記トルクセンサのセンサ基板に搭載された温度センサおよび加速度センサを備えている波動歯車装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外歯歯車を介して伝達される回転トルクを検出するトルクセンサを備えた波動歯車装置に関する。

【背景技術】

【0002】

協働ロボット市場において、衝突検知や人が直接ロボットアームに触れティーチングを行うため、各ロボットの関節にはトルクセンシングが必要になる。そのためロボット関節部の減速機の部位にトルクセンサが設置される。ロボット関節部に組み込まれる減速機には、配線等のために中空形状であることが要求される。また、小型で軸長が短く、高剛性で、軽量であることが求められており、減速機の部位に、トルクセンサを内蔵または一体化した構成が採用される。特許文献１では、減速機として用いられる波動歯車装置の可撓性の外歯歯車のダイヤフラムに歪ゲージを貼り、外歯歯車を介して伝達されるトルクを検出している。特許文献２においては、波動歯車装置のワイングラス形状をした外歯歯車において、そのダイヤフラムからボスに掛けて歪ゲージを貼り付けて、回転トルクを検出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００４－１９８４００号公報

【文献】特開２０００－３２０６２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ロボット関節部等に組み込まれる減速機として用いる波動歯車装置には、なるべく大きな中空径を備えていることが要求される。また、波動歯車装置に搭載されるトルクセンサには、次のような改善すべき課題がある。

【0005】

（課題１：トルク検出精度の向上）
波動歯車装置の可撓性の外歯歯車は、波動発生器により楕円状に撓められており、波動発生器の回転に伴って外歯歯車の円周方向の各部分は繰り返し半径方向に変位する。歪ゲージによって、波動発生器の回転に伴う外歯歯車の半径方向の変位も検出される。特許文献１では、このような外歯歯車の変位（楕円歪）を低減するための対策が施されている。外歯歯車の変位に起因する影響をより確実に除去して、トルク検出精度を更に向上させることが望まれている。

【0006】

（課題２：センサ部の耐久性の向上）
回転トルクの検出を、可撓性の外歯歯車のダイヤフラムに貼り付けた歪ゲージを用いて行う場合には、ダイヤフラムにおける歪ゲージにおける貼り付け部には、トルク印加による回転ひずみに加え、波動発生器の回転に起因して、３次元的な大きな変位が発生する。変位量は数μｍと大きく、歪ゲージやリード線の断線が発生しやすく、実用に向けての耐久性が低い。特許文献２においては、歪ゲージをダイヤフラムと剛性のボスの境界を跨ぐ状態で、これらの部分に貼り付けることで、リード線等の断線を回避しているが、改善の余地が依然としてある。

【0007】

（課題３：センサ設置の容易性）
従来においては、外歯歯車における弾性変形を繰り返すダイヤフラムに歪ゲージを貼り付ける構造の為、素材の制約を受け、容易に設置ができないという課題がある。また、減速機内部にセンサを設置しているので、グリースやオイルから歪ゲージその他のセンサ構成部品を保護する必要がある。

【0008】

これに加えて、波動歯車装置には、今日要求が高まっている安全機能として、その兆候監視（故障予知）機能が備わっていることが望ましい。例えば、波動歯車装置の温度、加速度等を監視し、これらに基づき故障予知等の診断ができることが望ましい。この場合には、次のような改善すべき点がある。

【0009】

（課題４：温度センサ、加速度センサの位置が減速機から遠い）
従来のロボット関節部には、トルクセンサ以外のセンサ、例えば、温度センサ、加速度センサが組み込まれる場合がある。センサは、ロボット関節部に組み込まれるアクチュエータのサーボモータ部のエンコーダ基板に設置する場合が多い。エンコーダ基板は、減速機（波動歯車装置）から離れた位置にあり、本来測定したい減速機の部位の温度や振動の状態を正確に取得できないことがあり、改善の余地がある。

【0010】

（課題５：減速機に発生したイレギュラートルクの記録）
ロボットアームの衝突や非常停止時に異常なトルクが減速機（波動歯車装置）の部位に掛かることがある。この結果、減速機の破損につながる。しかしながら、従来においては、この異常トルクが減速機に印加された証拠が残らず、破損原因の推定が困難である。

【0011】

本発明の主要な目的は、このような点に鑑みて、中空径を大きくでき、かつ、外歯歯車の撓みに起因するトルク検出精度の低下を回避できるようにしたトルクセンサ付き波動歯車装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記の課題を解決するために、本発明においては、
波動歯車装置を、内歯歯車および外歯歯車を相対回転可能に支持する主軸受と、外歯歯車に連結した出力軸等として機能するフランジとを備えたユニット化された構造とし、
外歯歯車として、ワイングラス形状の外歯歯車を採用することで、ロボット関節部等に組み込む場合に要求される大きな中空径を確保しつつ、
外歯歯車に連結したフランジにトルクセンサのトルク検出素子を取り付けて、外歯歯車の撓みの影響を受けずに、回転トルクを精度良く検出できるようにしている。特に、フランジにおける外側端面にトルク検出素子を取り付けて、オイル、グリース等に晒されないようにしている。

【0013】

また、フランジには、その外側端面の側にセンサ収納用凹部として機能する環状凹部を形成し、ここに収納したトルクセンサのセンサ基板に、温度センサ、加速度センサ等のセンサを搭載することにより、センサ配置部分の大型化を招くことなく、精密に、波動歯車装置の状態監視、兆候監視を行えるようにしている。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】（Ａ）は本発明を適用したトルクセンサ付き波動歯車装置を示す縦断面図であり、（Ｂ）はセンサ収納用凹部に収納されたトルクセンサのセンサ基板に実装した各センサの機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に、図面を参照して、本発明を適用したトルクセンサ付き波動歯車装置の実施の形態を説明する。なお、本発明は、以下に述べる実施の形態の構成に限定されるものではない。

【0016】

トルクセンサ付き波動歯車装置１（以下、単に「波動歯車装置１」という。）は、ユニット化された構造の波動歯車装置であり、剛性の内歯歯車２、可撓性の外歯歯車３、波動発生器４、内歯歯車２および外歯歯車３を相対回転可能に支持しているクロスローラベアリングからなる主軸受５、および、外歯歯車３に連結された円盤状の出力フランジ６を備えている。本例では、内歯歯車２が不図示の固定側部材に取り付けられる静止側部材であり、波動発生器４はモータ軸等の回転入力軸から回転が入力される入力部材であり、外歯歯車３は出力フランジ６を介して減速回転を不図示の負荷側に出力する出力側部材である。波動歯車装置１は、例えば、ロボット関節部に組み込まれ、関節軸を中心として３６０度未満の有限の回転角度の範囲内で負荷側部材を旋回させる有限回転アクチュエータの減速機として用いられる。

【0017】

内歯歯車２は、剛性の矩形断面の環状部材２１、および、この内周面に沿って形成された内歯２２を備えている。外歯歯車３はワイングラス形状をした外歯歯車であり、半径方向に撓み可能な円筒状胴部３１、この円筒状胴部の一方の端である開口端の外周面部分に形成した外歯３２、円筒状胴部３１の他方の端に連続して半径方向の内側に延びるダイヤフラム３３、および、ダイヤフラム３３の内周縁に連続して形成された剛性のボス３４を備えている。外歯３２は内歯歯車２の内歯２２に対峙している。ボス３４は、ダイヤフラム３３の内周縁から軸線１ａの方向（軸方向）に沿って円筒状胴部３１とは反対側に向かう第１方向１１に同軸に延びる円筒部３５（中空軸部）および円筒部３５（中空軸部）の軸端から半径方向の外方に同軸に広がる円環部３６を備えている。円環部３６の外径は、円筒状胴部３１の外径と同一あるいは僅かに小さい。円筒部３５（中空軸部）の円形内周面によって大径のボス中空部３７が規定されている。

【0018】

波動発生器４は、環形状をした剛性のカム板４１、このカム板４１の非円形外周面、例えば楕円状外周面に装着されて非円形に撓められている波動発生器軸受４２を備えている。波動発生器４は、外歯歯車３における外歯３２が形成されている円筒状胴部３１の開口端の側の内周面に嵌め込まれている。波動発生器４によって外歯３２が形成されている部分が非円形、例えば楕円形に撓められて、外歯３２が内歯２２に対して円周方向に離れた複数の位置においてかみ合っている。カム板４１は、モータ軸等の不図示の回転入力軸に連結され、回転駆動される。カム板４１が回転すると、内歯２２に対する外歯３２のかみ合い位置が円周方向に移動する。カム板４１の円形内周面によって、ボス中空部３７と同程度の大きさの波動発生器中空部４３が規定されている。

【0019】

外歯歯車３の円筒状胴部３１の外側には、軸方向における内歯歯車２の隣に、主軸受５が配置されている。主軸受５は、外歯歯車３の円筒状胴部３１を同軸に取り囲んでおり、外輪５１、内輪５２、これらの間に形成された軌道に挿入された複数個の転動体５３を備えている。内輪５２は、内歯歯車２における第１方向１１を向く円環状の内歯端面に同軸に締結固定されている。外輪５１は、出力フランジ６を介して、外歯歯車３のボス３４に連結されている。

【0020】

出力フランジ６は、外周側から内周側に向けて、外周側環状部分６１、中間環状部分６２および内周側環状部分６３を備えている。外周側環状部分６１は、主軸受５の外輪５１における第１方向１１を向く外輪端面に、締結ボルト７によって、同軸に締結固定されている。内周側環状部分６３は、外歯歯車３のボス３４の円環部３６における軸方向の第１方向１１を向く円環状ボス端面に、締結ボルト８によって、同軸に締結されている。出力フランジ６の中間環状部分６２には、軸方向の第１方向１１の側に開口し、第１方向１１とは逆の方向に所定の深さの矩形断面形状をした円環状凹部が、センサ収納用凹部６４として形成されている。センサ収納用凹部６４には、トルクセンサ１００が装着されている。

【0021】

トルクセンサ１００は、外歯歯車３および出力フランジ６を介して伝達される回転トルクを検出するものであり、出力フランジ６に貼り付けた歪ゲージ１０１、配線および信号処理用の電子部品が実装されたセンサ基板１０２、センサ基板１０２から外部に引き出された配線１０３等を備えている。歪ゲージ１０１は、出力フランジ６の中間環状部分６２における第１方向１１を向く端面部分、すなわち、センサ収納用凹部６４の底面部分６５に貼り付けられている。例えば、円周方向に沿って等角度間隔で複数組の歪ゲージ１０１が貼り付けられている。あるいは、歪ゲージを規定する配線パターン等が底面部分６５に直接に積層された構成であってもよい。センサ基板１０２は例えば円盤状の基板であり、出力フランジ６に固定されている。

【0022】

ここで、トルクセンサ１００のセンサ基板１０２には、トルクセンサ用の回路部に加えて、温度センサ１１０および加速度センサ１２０も実装されている。図１（Ｂ）は、センサ収納用凹部６４に収納されるセンサ基板１０２に実装される各センサの概略機能ブロック図である。センサ基板１０２には、トルクセンサ１００の歪ゲージ１０１からの信号を処理する信号処理回路１０４と共に、温度センサ１１０（検出回路および信号処理回路）および加速度センサ１２０（検出回路および信号処理回路）が実装されている。センサ基板１０２には、マイクロコンピュータからなる制御部１０５、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなどからなる記憶部１０６、通信モジュール１０７（ＲＳ－４８５等）も搭載されており、検出されたトルク、減速機温度、加速度の情報が記憶部１０６に保持されると共に、上位の機器（図示せず）に送信される。

【0023】

以上説明したように、波動歯車装置１は、主軸受５によって内歯歯車２および外歯歯車３が相対回転可能に組付けられたユニット構造をしており、外歯歯車３から減速回転を出力する出力フランジ６にトルクセンサ１００の歪ゲージ１０１を取付け、かつワイングラス形状の外歯歯車３を採用している。これにより、波動歯車装置１に、十分な大きさの中空部を確保しつつ、トルクセンサ１００によって回転トルクのみを精度良く検出できる。ワイングラス形状の外歯歯車３を採用することで、装置外径に対する中空径率を２０％以上にすることが容易である。また、センサ基板１０２に温度センサ１１０、加速度センサ１２０を搭載することにより、精密に、波動歯車装置１から構成される減速機の状態監視や兆候監視が可能となる。以下、具体的に述べる。

【0024】

（課題１について）
剛性部材である出力フランジ６にトルクセンサ１００の歪ゲージ１０１を取り付けることにより、波動発生器４の回転に伴う外歯歯車３に生じる歪みに起因する影響を、トルクセンサ出力から確実に除去できる。
出力フランジ６は主軸受５（クロスローラベアリング）と締結されており、波動歯車装置１が組み込まれるロボットアーム等のモーメント荷重は、主軸受５で受ける構造となっている。このため、トルク検出部位である出力フランジ６には、モーメント荷重は印加されない。よって、トルクセンサ１００は、回転トルクのみを検出できるため、トルク検出精度が高い。

【0025】

（課題２について）
出力フランジ６は、外歯歯車３のような波動発生器４による撓みが発生しないため、トルクセンサ１００の歪ゲージ１０１、そこから引き出されるリード線の断線を解消できる。

【0026】

（課題３について）
波動歯車装置１におけるトルクセンサ１００の設置部は、出力フランジ６における軸方向の第１方向１１を向く側に形成されたセンサ収納用凹部である。センサ収納用凹部は装置外側に開口しており、一般的な抵抗体による歪ゲージに限らず、半導体タイプのトルク検出素子などを自由に選択することが可能になる。また、トルクセンサ１００の配置場所は、出力フランジ６の外側端面の側、すなわち、波動歯車装置１の内部とは出力フランジ６によって仕切られている。トルクセンサ１００には、内部に充填あるいは供給されるグリースやオイルに対する保護が不要となる。勿論、センサ収納用凹部に蓋をして封鎖することも可能である。

【0027】

（課題４について）
出力フランジ６に形成したセンサ収納用凹部には、トルクセンサ１００のセンサ基板に温度センサ１１０および加速度センサ１２０も設置されている。これにより、以下の機能が利用可能になる。
すなわち、温度センサ１１０を用いて、波動歯車装置１（減速機部）の温度を測定し、これに基づき、グリースの劣化状態、潤滑不良状態を観測できる。特に、高温状態での使用においては、封入グリースの早期劣化が進み、結果として潤滑不良により波動歯車装置１に摩耗が発生する。このような事態を未然に防止できる。
また、波動歯車装置１の高温時に、警告を出す機能を搭載することも可能になる。例えば、波動歯車装置１に使用されている軸受の軌道面、鋼球に異常が発生した場合に振動が発生する。このような振動を、加速度センサにより即座に検出し予防保全に活用できる。また、波動歯車装置が組み込まれるロボットに振動が発生している場合には、加速度センサの信号の周波数解析データは、原因調査への資料となる。

【0028】

（課題５について）
センサ基板に、ＥＥＰＲＯＭあるいはＦＬＡＳＨ（登録商標）を設置することで、許容トルク以上のトルクが印加された際のピーク値や回数を自動的に保存する機能、温度データを記録する機能を搭載することができる。記録データを不具合発生時の調査に利用できる。また、記録データを、ユーザーへのアラートとして出力し、予防保全に活用できる。勿論、センサ類を複数系統、例えば２系統分、搭載することにより、冗長性を持たせることも可能である。

【0029】

（その他の実施の形態）
なお、上記の波動歯車装置１においては、外歯歯車３のボス３４と、トルクセンサ１００が搭載された出力フランジ６との間の締結をボルトにより行っている。この代わりに、外歯歯車３のボス３４に、出力フランジ６を溶接により接合することも可能である。溶接に変更することで、波動歯車装置１の更なる扁平化を実現でき、また、回転トルクを向上させることができる。

【0030】

また、上記の波動歯車装置１では、内歯歯車２が静止側（固定側）部材であり、外歯歯車３が駆動側部材であり、トルクセンサ１００が搭載されたフランジは外歯歯車３に固定された出力フランジ６である。この代わりに、波動発生器４に連結される入力軸の構造を変更することで、トルクセンサ１００が搭載されたフランジが固定されている外歯歯車３を静止側部材とし、内歯歯車２を３６０度以上の可動角で減速回転を出力可能な駆動側部材とすることもできる。

【要約】

波動歯車装置（１）は、内歯歯車（２）および外歯歯車（３）を相対回転可能に支持する主軸受（５）と、外歯歯車（３）に連結した出力フランジ（６）とを備えたユニット化された構造をしている。外歯歯車（３）はワイングラス形状をしており、ロボット関節部等に組み込む場合に要求される大きな中空径を確保している。外歯歯車（３）に連結した出力フランジ（６）における外側を向く端面部分に、トルクセンサ（１００）の歪ゲージ（１０１）を取り付けてある。トルクセンサ（１００）は、外歯歯車（３）の撓みの影響を受けずに、回転トルクを精度良く検出でき、歪ゲージ（１０１）等がオイル、グリース等に晒されることもない。

【図1】