JP2007040517A

JP2007040517A - 調和減速機およびその製造方法

Info

Publication number: JP2007040517A
Application number: JP2006008339A
Authority: JP
Inventors: Iwao Sasaki; 巌佐々木; Mitsuaki Ikeda; 満昭池田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2007-02-15

Abstract

【課題】耐久性、軽量でかつ作製の容易な調和減速機を実現できるようにする。
【解決手段】本発明の調和減速機は、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、さらにこの内側に配置された波動発生器４とを有し、可撓性外歯歯車３は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部３１と、この胴部３１の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部３０と、胴部３１の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラム３２と、このダイヤフラムに連続しているボス３３とを備えたもので、可撓性外歯歯車が絞り加工または押出加工により成形されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐久性向上と軽量化をはかり、かつ、作製が容易な可撓性外歯歯車を備えた調和減速機に関するものである。

調和減速機は、そこに組み込まれている可撓性外歯歯車の形状によって、カップ型、シルクハット型、およびフラット型のものがある。従来、カップ型の調和減速機について提案されている代表的な例を図１に示す（例えば特許文献１参照）。
図１はカップ型の調和減速機の概略を示す側断面図、図２はその正面図である。調和減速機１は、環状の剛性内歯歯車２と、この内側に配置されたカップ形の可撓性外歯歯車３と、この内側にはめ込まれた楕円形の波動発生器４とを有している。可撓性外歯歯車３は、円筒状の胴部３１と、この胴部３１の一端に連続している外歯３４が形成された円筒状歯部３０と、胴部３１の他端を封鎖している環状のダイヤフラム３２と、このダイヤフラム３２の中心に一体形成されているボス３３とを備えている。

可撓性外歯歯車３は、波動発生器４によって楕円形に撓められて、その楕円形状の長軸方向の両端部分の外歯３４が、内歯歯車２の内周面に形成した内歯２１に噛み合っている。波動発生器４がモータ回転軸等により回転すると、両歯車の噛み合い位置が円周方向に移動する。内歯２１と外歯３４の歯数は２Ｎ（Ｎは正の整数）だけ差があるので、この歯数差に応じた相対回転が両歯車の間に発生する。一般的には、内歯歯車２の側が固定されるので、カップ形の可撓性外歯歯車３の側から、両歯車の歯数差に応じて大幅に減速された回転が出力される。このような動作のため、可撓性外歯歯車３は実用上は機械的強度に優れる特殊鋼を用いることが一般的である。
以上、カップ型のものを例に調和減速機の説明を行なったが、シルクハット型、フラット型に関しても動作の原理は同様である。

以上、説明した調和減速機はロボット等の駆動装置で使用されるため耐久性の向上と共に軽量化が求められている。特に、ロボットアームやロボットハンドに用いる場合は、信頼性の観点から長期安定駆動と耐久性向上、さらにこの調和減速機の重量そのものがロボット動作時の負荷となるため、低消費電力といった環境に考慮する側面からも軽量化が求められている。耐久性向上に関しては合金鋼の適用や表面の窒化処理が提案されている（例えば特許文献１参照）。一方、軽量化に対応した例として、構成部材を通常のアルミニウム合金で置き換えることが提案されている（例えば特許文献２参照）。

しかし、従来の耐久性の向上と軽量化に対する方法では複雑な加工が必要となり、作製に工数がかかるという問題があった。これらの問題を解決する方策として、複数の部材を溶接して作製する方法が提案されている（例えば特許文献３参照）。
特開２０００−５５１４７号公報（第３頁、図１）特開平１０−３１８３３８号公報（第３−５頁、図１）特許３０３２５３４号公報（第２−３頁、第２図）

ところが、従来の溶接して作製する方法では溶接部が強度的に弱くなり、耐久性に問題があった。また、軽量化や加工性においてもまだ満足できるものではなかった。
そこで、本発明はこの点に鑑みて、従来、可撓性外歯歯車が特殊鋼で構成されている調和減速機なみの伝達トルクを備えながら、耐久性が向上してかつ軽量で、かつ作製が容易な調和減速機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１記載の発明は、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、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部と、この筒状胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを備えた調和減速機において、前記可撓性外歯歯車が絞り加工または押出加工により成形されたものである。
ものである。
また、請求項２記載の発明は、前記可撓性外歯歯車は超塑性合金で構成されたものである。
また、請求項３記載の発明は、前記超塑性合金が、２２質量％のアルミニウムを含有する亜鉛合金、６質量％の銅と０．５質量％のジルコニウムを含有するアルミニウム合金、６質量％のアルミニウムと４質量％のバナジウムを含有するチタン合金、または２６質量％のクロム、６質量％のニッケルを含有する鉄合金のいずれかとしたものである。
また、請求項４記載の発明は、前記可撓性外歯歯車が、３０〜６０質量％のバナジウム族元素を含有するチタン合金で構成されたものである。
また、請求項５記載の発明は、前記チタン合金は、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の１種以上の元素を合計で１〜２０質量％含有するものである。
また、請求項６記載の発明は、前記チタン合金は、０．０８〜０．６質量％の酸素を含有するものである。
また、請求項７記載の発明は、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、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能な可撓性の胴部と、この胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを組み込んで製造する調和減速機の製造方法において、前記可撓性外歯歯車を絞りまたは押出しにより成形するものである。
また、請求項８記載の発明は、前記チタン合金は、前記可撓性外歯歯車を超塑性合金で構成し、熱間加工または冷間加工の少なくとも一方を用いて成形するものである。
また、請求項９記載の発明は、前記可撓性外歯歯車が、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが０．０１５から０．０３であり、引張強度７５０ＭＰａ以上である金属ガラスで構成されたものである。
また、請求項１０記載の発明は、前記金属ガラスは、ジルコニウムを５から６０質量％含有し、かつ残部にニッケルを含有するものである。

請求項１、７、８記載の発明によると、可撓性外歯歯車を熱間による絞りあるいは押し出しにより加工されているので、この作製工程を減らすことができ、作製を容易にすることができる。
請求項２記載の発明によると、可撓性外歯歯車を超塑性合金としたため、軽量化を図り、かつ、熱間による絞りあるいは押し出しにより加工されているので、この作製工程を減らすことができ、作製を容易にすることができる。
請求項３記載の発明によると、可撓性外歯歯車の部材に亜鉛合金、アルミニウム合金、チタン合金、鉄合金を用いたので、安価に、かつ、熱間による絞りあるいは押し出しにより加工されているので、この作製工程を減らすことができ、作製を容易にすることができる。
請求項４〜６記載の発明によると、可撓性外歯歯車を軽量かつ耐久性を兼ね備え、熱間あるいは冷間あるいはこれらの併用による絞りあるいは押し出しにより加工できるチタン合金で構成したので、作製を容易にすることができる。
請求項９、１０記載の発明によると、可撓性外歯歯車を軽量かつ耐久性を兼ね備え、冷間による絞りあるいは押し出しにより加工できる金属ガラスで構成したので、作製を容易にすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１、２は、本発明を用いたカップ形の調和減速機である。形状的には従来と同じであるため、各部の符号の説明は省略する。環状の剛性内歯歯車２と波動発生器４およびその他の部品は従来と同じ方法で作製している。
可撓性外歯歯車３の作製方法は、可撓性外歯歯車３のカップ外径寸法を４５ｍｍとし、板材の材質を亜鉛合金、アルミニウム合金、チタン合金、鉄合金とした。そして、つぎの＃１から＃８の８種類の板材を用いて、加熱−冷却深絞り法により形成した。この際、２５０℃から９００℃に加熱加工後空冷、あるいは室温加工にて形成した。この時、深絞り率は５０〜９０％程度である。また、板材の材質を金属ガラスとして＃９および＃１０の２種類の板材を用いて、冷却深絞り法により形成した。金属ガラスは引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが０．０１５から０．０３のものを用いた。数値は合金成分の質量％を表す。
（１）＃１：Ｚｎ−２２Ａｌ
（２）＃２：Ａｌ−６Ｃｕ―０．５Ｚｒ
（３）＃３：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ
（４）＃４：Ｆｅ−２６Ｃｒ−６Ｎｉ
（５）＃５：Ｔｉ−３５Ｎｂ−１０Ｖ−０．３５Ｏ
（６）＃６：Ｔｉ−４０Ｎｂ−６Ｖ−４Ｔａ−０．２８Ｏ
（７）＃７：Ｔｉ−２０Ｎｂ−５Ｖ−１０Ｔａ−５Ｚｒ−５Ｈｆ−０．２９Ｏ
（８）＃８：Ｔｉ−３５Ｎｂ−５Ｔａ−３Ｓｃ−０．２７Ｏ
（９）＃１１：Ｚｒ−３０Ｃｕ−１０Ａｌ−５Ｎｉ
（１０）＃１２：Ｎｉ−２０Ｎｂ−１０Ｔｉ−８Ｚｒ−６Ｃｏ−３Ｃｕ
（１１）＃９：マルエージング鋼
（１２）＃１０：ニッケルクロムモリブデン鋼
＃１〜＃４は、熱間加工により形成し、＃５〜＃８は、冷間加工により形成した後、１００〜４００℃の焼鈍を併用した。歯部３０の歯形は切削による後加工を施したものもある。＃９、＃１０は、冷間加工により形成した。なお、＃１１〜＃１２は従来の方法で作製した比較例である。

つぎに、作製した可撓性外歯歯車３を剛性内歯歯車２および波動発生器４に組み込み、減速比１００として調和減速機１の耐久性を評価した。
評価方法は、出力端すなわち可撓性外歯歯車３のボス３３を固定し、この出力側に７５Ｎｍおよび１５０Ｎｍのトルクを正方向および負方向へ印加されるよう入力端である波動発生器４を動作させ、可撓性外歯歯車３が破壊するまでの往復回数を計測した。
耐久性の評価結果を表１に示す。なお、結果は標準的に可撓性外歯歯車に用いられる＃１２にて従来の作製方法による破壊までの回数を１とした比率として表している。

表１から分かるように、本発明の実施例の＃１〜＃１０は、７５Ｎｍの負荷トルクでは、比較例と同等あるいはそれ以上の耐久性を得ることができた。また、１５０Ｎｍ負荷トルクでは、＃３、＃４では従来と同等のものが得られた。とくに、＃５〜＃１０の条件では、耐久性が大幅に向上したことがわかる。これに対して、比較例の＃１１〜＃１２では熱間による加工ができず、本発明が加工性に優れていることがわかった。

さらに、＃５〜＃１０においては、そのＶ溝加工性がよいことがわかったため、可撓性外歯歯車３の歯部（詳細は図示せず）の成形において真空成形とブロー成形を併用して、歯車凹部の肉厚を歯車のないカップ部と同じ厚さになるように加工した。この成形で作製した歯車形状は従来例の転造で作製していたものよりも加工精度がよい。また、耐久性も従来例と同様あるいは優れるものとなった。また、従来例に比べ、動作時の温度上昇率が低減できた。これは歯部の肉厚が薄くなり、歯の噛み合いが従来よりも均一になったため効率が上昇したものであると推察できる。
このように、本発明の調和減速機は、従来の調和減速機に比べ、耐久性と加工性に優れており作製工程を低減でき、かつ作製も容易であるという効果がある。
なお、可撓性外歯歯車３に用いたチタン合金は、バナジウム族元素を３０〜６０質量％としたが、３０質量％未満では、平均ヤング率の低下が十分でなく、６０質量％を超えると材料偏析が顕著となり強度、靭性および延性の特性を満足しない。また、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の１種以上の元素を合計で１〜２０質量％以下含有するものとしたが、２０質量％を超えると材料偏析が顕著となり強度、靭性および延性の特性を満足しない。さらに、酸素の含有量を０．０８〜０．６質量％としたが、０．０８質量％未満では、チタン合金の高強度化が十分でなくなり、０．６質量％を超えるとチタン合金の脆化を招き好ましくない。
また、可撓性外歯歯車３に用いた金属ガラスは、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが０．０１５から０．０３のものを用いたが、この範囲以外の弾性ひずみのものでは、本発明に利用できるだけ十分なヤング率ではなく好ましくない。また、引張強度７５０ＭＰａ以上としたが、これ以下では本発明に利用できるだけ十分な強度ではなく好ましくない。

可撓性外歯歯車の表面応力に対して歪量を大きくとれるので、歪ゲージ貼り付けによる力検出機能を持つ調和減速機の可撓性外歯歯車の要素としても適用できる。

本発明の実施例に用いた調和減速機の側断面図である。図１の正面図である。

符号の説明

１調和減速機
２内歯歯車
２１内歯
３可撓性外歯歯車
３０歯部
３１胴部
３２ダイヤフラム
３３ボス
３４外歯
４波動発生器

Claims

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、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部と、この胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを備えた調和減速機において、
前記可撓性外歯歯車が絞り加工または押出加工により成形されたものであることを特徴とする調和減速機。
前記可撓性外歯歯車は超塑性合金で構成されたことを特徴とする請求項１記載の調和減速機。
前記超塑性合金が、２２質量％のアルミニウムを含有する亜鉛合金、６質量％の銅と０．５質量％のジルコニウムを含有するアルミニウム合金、６質量％のアルミニウムと４質量％のバナジウムを含有するチタン合金、または２６質量％のクロム、６質量％のニッケルを含有する鉄合金のいずれかであることを特徴とする請求項２記載の調和減速機。
前記可撓性外歯歯車が、３０〜６０質量％のバナジウム族元素を含有するチタン合金で構成されたことを特徴とする請求項１記載の調和減速機。
前記チタン合金は、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の１種以上の元素を合計で１〜２０質量％含有するものであることを特徴とする請求項４記載の調和減速機。
前記チタン合金は、０．０８〜０．６質量％の酸素を含有することを特徴とする請求項５記載の調和減速機。
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、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能な可撓性の胴部と、この胴部の一端に連続している外歯が形成された歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを組み込んで製造する調和減速機の製造方法において、
前記可撓性外歯歯車を絞りまたは押出しにより成形することを特徴とする調和減速機の製造方法。
前記可撓性外歯歯車を超塑性合金で構成し、熱間加工または冷間加工の少なくとも一方を用いて成形することを特徴とする請求項７記載の調和減速機の製造方法。
前記可撓性外歯歯車が、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが０．０１５から０．０３であり、引張強度７５０ＭＰａ以上である金属ガラスで構成されたことを特徴とする請求項１記載の調和減速機。
前記金属ガラスは、ジルコニウムを５から６０質量％含有し、かつ残部にニッケルを含有することを特徴とする請求項９記載の調和減速機。