JP2015074036A - アクチュエータ及びこのアクチュエータを組み込んだロボットの関節構造 - Google Patents

Abstract

【課題】減速機を内蔵し、第一部材に対して駆動側の第二部材を所定の軸線の回りを回転させるアクチュエータの軽量化、コンパクト化を図ることができるアクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明のアクチュエータは、固定側の第一部材１に対して駆動側の第二部材２を所定の軸線ａの回りを回転駆動させるアクチュエータであり、減速機１２と、減速機１２の入力軸２７を回転させる駆動源３３と、を備える。減速機１２は、入力軸２７、出力軸５、入力軸２７の回転を減速して出力軸５に伝える減速機構２３，２６、及びハウジング４を有し、出力軸５を固定した状態で入力軸２７を回転させるとハウジング４が所定の軸線ａの回りを回転するようにハウジング４に減速機構２３，２６の一部が固定される。減速機１２の出力軸５が固定側の第一部材１に結合され、減速機１２のハウジング４が駆動側の第二部材２に結合される。
【選択図】図５

Description

本発明は、第一部材に対して駆動側の第二部材を所定の軸線の回りを回転駆動させるアクチュエータ、及びこのアクチュエータを組み込んだロボットの関節構造に関する。

典型的なロボットは、人間の腕の構造又は足の構造に類似した関節を持つ。関節には、第一部材に対して駆動側の第二部材を所定の軸線の回りを回転駆動させるアクチュエータが組み込まれる。アクチュエータは、電動モータと、電動モータの回転を減速する減速機と、減速機が減速した回転を出力する出力軸と、を備える（特許文献１参照）。第一部材に減速機及び電動モータが結合される。第二部材に減速機の出力軸が結合される。電動モータが減速機を介して出力軸を回転駆動すると、出力軸に結合される第二部材が回転駆動する。減速機は電動モータから高トルクを得るために設けられる。電動モータの出力は減速されて出力軸から出力される。減速機には、例えば高減速比が得られる波動減速機、遊星歯車式減速機、サイクロ減速機等が用いられる。

ところで、減速機及び電動モータがロボットの関節から突出すると、見た目が悪くなるし、関節の周囲に減速機及びモータのためのスペースを必要とするという問題がある。このため、関節内に減速機を収容することも行われている（例えば特許文献２参照）。関節内のスペースを有効利用すれば、減速機が関節の外側に突出するのを防止することができる。

特開２０１２−２５０３２０号公報 特開２００７−２１８４３６号公報

しかし、ロボットの関節に減速機を収容し、減速機の出力軸で駆動側の第二部材を作動させる場合、減速機は関節内に収まっているものの減速機を駆動する電動モータが関節から突出してしまう。特にモータを減速機の入力軸にダイレクトにつなげると、関節から大きく電動モータが突出する。これを避けるために、シャフト、ギヤ、ベルト等で電動モータを並列又は直角に配置すると、機構が複雑化したり、大型化したりする。

そこで本発明は、減速機を内蔵し、第一部材に対して駆動側の第二部材を所定の軸線の回りを回転させるアクチュエータの軽量化、コンパクト化を図ることができるアクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、固定側の第一部材に対して駆動側の第二部材を所定の軸線の回りを回転駆動させるアクチュエータであって、入力軸、出力軸、前記入力軸の回転を減速して出力軸に伝える減速機構、及びハウジングを有し、前記出力軸を固定した状態で前記入力軸を回転させると前記ハウジングが前記所定の軸線の回りを回転するように前記ハウンジングに前記減速機構の一部が固定される減速機と、前記減速機の前記入力軸を回転させる駆動源と、を備え、前記減速機の前記出力軸が固定側の前記第一部材に結合され、前記減速機の前記ハウジングが駆動側の前記第二部材に結合されるアクチュエータである。

本発明によれば、アクチュエータの減速機の出力軸が第一部材に結合され、アクチュエータの体積のほとんどを占める減速機のハウジングが固定側の第一部材ではなく駆動側の第二部材に結合されるので、駆動側のスペースを減速機のためのスペースとして有効利用できる。したがって、アクチュエータの軽量化、コンパクト化を図ることができる。また、ハウジングの重量は出力軸に比べて重いものの、ハウジングの回転は減速されているので、ハウジングが回転することによる慣性モーメントの影響も少なく、実用的なアクチュエータになる。

本発明の第一の実施形態のロボットの関節構造の外観斜視図 図１の背面方向から見た本発明の第一の実施形態のロボットの関節構造の外観斜視図 本発明の第一の実施形態のロボットの関節構造の分解斜視図 ロボットの関節に組み込んだ本発明の第一の実施形態のアクチュエータの斜視図 本発明の第一の実施形態のアクチュエータの軸線に沿った断面図 本発明の第一の実施形態の減速機の分解斜視図 本発明の第二の実施形態の減速機の斜視図（一部断面図を含む） 本発明の第二の実施形態の減速機の中心線に沿った断面図 本発明の第二の実施形態の減速機の分解斜視図 本発明の第二の実施形態の減速機のキャリアの分解斜視図 本発明の第二の実施形態の減速機の遊星歯車の分解斜視図 本発明の第二の実施形態の減速機のキャリアを示す図（図１２（ａ）はキャリアの斜視図を示し、図１２（ｂ）は中心線方向から見たキャリアの詳細図を示す）。

以下添付図面を参照しつつ本発明の第一の実施形態のアクチュエータを詳細に説明する。図１及び図２は、本実施形態のアクチュエータを組み込んだロボットの関節構造の外観斜視図を示す。本実施形態のアクチュエータは人間型ロボット、産業用ロボット、医療用ロボット等の各種のロボットの関節に組み込まれる。図１及び図２はロボットの関節の一例である人間型ロボットの肘関節を示す。

本実施形態のロボットの関節構造は、第一部材としての第一アーム１と、第二部材としての第二アーム２と、を備える。第一アーム１が固定側であり、第二アーム２が駆動側である。アクチュエータを作動させると、駆動側の第二アーム２が固定側の第一アーム１に対して所定の軸線ａの回りを回転する。ここで、アクチュエータの作動の有無にかかわらず、その位置が変化しない方を固定側といい、アクチュエータの作動によって位置が変化する方を駆動側という。多関節ロボットのように、固定側の第一アーム１が完全に静止することなく、他のアクチュエータによって回転駆動されてもよい。

第一アーム１の長さ方向の一端部には、二股に分かれた一対の支持部１ａ，１ｂが設けられる。一対の支持部１ａ，１ｂ間に第二アーム２の連結部２ａが挟まれる。アクチュエータは第一アーム１の一対の支持部１ａ，１ｂ及び第二アーム２の連結部２ａから構成される関節３内に収容される。言い換えれば、アクチュエータは第一アーム１の一対の支持部１ａ，１ｂの軸線方向の内側に収められていて、一対の支持部１ａ，１ｂから軸線方向の外側に突出していない。アクチュエータは減速機、駆動源としての電動モータ、電動モータの位置を検出するロータリーエンコーダから構成される。アクチュエータのこれらの全ての部品が関節３内に収容される。

図３は、本実施形態のロボットの関節構造の分解斜視図を示す。アクチュエータは円筒形のハウジング４で覆われる。ハウジング４の軸線方向の一端部にはフランジ４ａが設けられる。第一アーム１の一対の支持部１ａ，１ｂ及び第二アーム２の連結部２ａにはアクチュエータを挿入できるように穴１ａ１，１ｂ１，２ａ１が開けられる。ハウジング４は第二アーム２の連結部２ａの穴２ａ１内に挿入されると共に、フランジ４ａを介して第二アーム２の連結部２ａに固定される。ハウジング４内には電動モータ（以下、単にモータという）及び減速機が収容される。減速機の出力軸５にはフランジ５ａが設けられていて、出力軸５はフランジ５ａを介して円盤状の保持プレート６に結合される。保持プレート６は第一アーム１の支持部１ａに結合されるので、出力軸５は保持プレート６を介して第一アーム１の支持部１ａに結合される。

ハウジング４が第一アーム１に対して回転できるように、支持部１ｂとハウジング４との間にアンギュラベアリング等の軸受７が介在する。軸受７の外輪は支持部１ｂの穴１ｂ１の内側に嵌められると共に支持部１ｂに結合される。軸受７の内輪はハウジング４の外側に嵌められると共にハウジング４に結合される。支持部１ｂとハウジング４との間に軸受を設けるのは、一対の支持部１ａ，１ｂでハウジング４の軸線方向の両端部を安定して支持するためである。なお、ハウジング４と出力軸５との間には軸受８（図４参照）が介在する。

図４は、第一アーム１及び第二アーム２の関節に組み込んだアクチュエータの斜視図を示す。この図４にはアクチュエータの内部構造を示すためにハウジング４及び出力軸５の断面図を示す。上記のように、アクチュエータのハウジング４は第二アーム２に結合される。アクチュエータの出力軸５は保持プレート６を介して第一アーム１に結合される。ハウジング４の軸線方向の一方の端部は支持部１ｂに設けられる軸受７に回転可能に支持される。ハウジング４の軸線方向の他方の端部は、出力軸５の外側に設けられる軸受８に回転可能に支持される。ハウジング４は軸受７，８で両持ち支持される。

図５は、アクチュエータの軸線に沿った断面図を示す。アクチュエータ１１は、減速機１２と、モータ１３と、を備える。ハウジング４は、減速機収容部４−１とモータ収容部４−２とを軸線方向に結合してなる。減速機収容部４−１にフランジ４ａが形成される。ハウジング４の減速機収容部４−１に減速機１２の減速機構２３，２６が収容され、ハウジング４のモータ収容部４−２にモータ３３が収容される。

モータ１３は中空モータであり、ハウジング４に固定される固定子３１と、減速機１２の入力軸２７に固定される可動子３２と、を備える。モータ１３の固定子３１はハウジング４と共に軸線ａの回りを回転し、モータ１３の可動子３２は入力軸２７と共に軸線ａの回りを回転する。モータ１３に中空モータを用い、モータ１３の固定子３１がハウジング４と共に回転するようにすることで、アクチュエータ１１の小型化を図ることができる。固定子３１は、ハウジング４の内側に円周方向に配列された多数のコア３４と、コア３４に巻かれる多数のコイル３５と、を備える。コイル３５は三つで一組の三相コイルからなり、コイル３５にはＵ相、Ｖ相、又はＷ相の交流が供給される。可動子３２は、入力軸２７に回転不能に結合される可動子本体３６と、可動子本体３６の周囲に取り付けられた多数の磁石３７からなる。磁石３７は半径方向に着磁されていて、半径方向の内側がＮ極及びＳ極の一方に形成され、半径方向の外側がＮ極及びＳ極の他方に形成される。磁石３７はコア３４に磁気的なすきまを持って対向する。

ハウジング４のモータ収容部４−２の端部には、入力軸２７の位置を検出するロータリーエンコーダ３８が設けられる。ロータリーエンコーダ３８は、入力軸２７に取り付けられるスケール部と、モータ収容部４−２に取り付けられ、スケール部の位置を検出するセンサと、を有する。この実施形態のローターエンコーダは磁気式のロータリーエンコーダであり、スケール部には円周方向に交互にＮ極及びＳ極を形成する磁気スケールが使用され、センサには磁気スケールに発生する磁界を検出する磁気センサが使用される。なお、ロータリーエンコーダは磁気式でも光学式でもよい。

第一アーム１に対する第二アーム２の回転角度、言い換えれば出力軸５に対するハウジング４の回転角度は３６０度未満、望ましくは１８０度未満に制限される（図４参照）。モータ１３及びエンコーダからは電力及び電気信号を伝達するためのコードが出ている。３６０度未満であれば、コードがからまることがなく、スリップリング等の通電装置が不要になる。スリップリングは、静止体から回転体に対して電力及び電気信号を伝達する通電装置である。

図５に示すように、減速機１２は、ハウジング４と、入力軸２７と、出力軸５と、入力軸２７の回転を減速して出力軸５に伝達する減速機構として二組の歯車機構２３，２６と、を備える。入力軸２７及び出力軸５は、ハウジング４の軸線ａ上に配置される。入力軸２７と出力軸５との間には、減速機構として二組の歯車機構２３，２６が介在する。第一の歯車機構２３は、ハウジング４に固定される第一の内歯車２２と、第一の内歯車２２内を自公転する第一の外歯車２１と、を備える。第一の外歯車２１が自公転できるように、第一の内歯車２２と第一の外歯車２１との間には隙間が存在する。第二の歯車機構２６は、出力軸５に一体に形成される第二の内歯車２５と、第二の内歯車２５内を自公転する第二の外歯車２４と、を備える。第二の外歯車２４が自公転できるように、第二の外歯車２４と第二の内歯車２５との間には隙間が存在する。出力軸５は軸受８を介してハウジング４に回転可能に支持される。

第二の外歯車２４の歯数は第一の外歯車２１の歯数よりも大きく、例えば第二の外歯車２４と第一の外歯車２１との歯数の差は１に設定される。第二の外歯車２４は第一の外歯車２１よりも外径が大きい。第二の内歯車２５の歯数は第一の内歯車２２の歯数よりも大きく、例えば第二の内歯車２５と第一の内歯車２２との歯数の差は１に設定される。第二の内歯車２５は第一の内歯車２２よりも内径が大きい。

図６は減速機の分解斜視図を示す。入力軸２７は、モータ１３の可動子３２が取り付けられる小径部２７ａと、ハウジング４の内側に設けたアンギュラベアリング等の第一の軸受４１（図５も参照）に支持される大径部２７ｂと、入力軸２７の軸線ａに対して偏心する偏心軸部２７ｃと、偏心軸部２７ｃの軸方向の一端部に結合されるカウンターウェイト２７ｄと、偏心軸部２７ｃとカウンターウェイト２７ｄとを締結するボルト２７ｅと、を備える。偏心軸部２７ｃは入力軸２７の軸線ａから偏心した位置に取り付けられ、入力軸２７の軸線ａに対して偏心したまま入力軸２７の軸線ａの周囲を回転する。偏心軸部２７ｃには、第一の外歯車２１及び第二の外歯車２４が回転可能に支持される。第一及び第二の外歯車２１，２４を支持する入力軸２７の重心が軸線ａ上に位置するように、大径部２７ｂにはカウンターウェイト部２７ｂ１が設けられると共に、偏心軸部２７ｃにカウンターウェイト２７ｄが締結される。大径部２７ｂのカウンターウェイト部２７ｂ１とカウンターウェイト２７ｄとはピン４３で位置決めされる。カウンターウェイト２７ｄは出力軸５の内側に設けたアンギュラベアリング等の第二の軸受４２に回転可能に支持される。入力軸２７は軸方向の一端がハウジング４の内側に設けた第一の軸受４１（図５も参照）に回転可能に支持され、軸方向の他端部が出力軸５の内側に設けた第二の軸受４２（図５も参照）に回転可能に支持される。

第一の外歯車２１と第二の外歯車２４とは、互いの軸線が一致するように軸方向に一体に結合される。第一及び第二の外歯車２１，２４は中空に形成される。第一及び第二の外歯車２１，２４と入力軸２７の偏心軸部２７ｃとの間には、ニードルベアリング等の軸受４３が介在する。軸受４３を保持するために第一及び第二の外歯車２１，２４にはワッシャ４４が組み込まれる。

第一の外歯車２１は第一の内歯車２２に噛み合う。第一の内歯車２２はハウジング４の減速機収容部４−１に固定される（図５も参照）。第一の内歯車２２の軸線ａはハウジング４の減速機収容部４−１の軸線ａと一致する。

第二の外歯車２４は第二の内歯車２５に噛み合う。第二の内歯車２５は出力軸５の内側に一体に形成される。出力軸５はハウジング４の内側に設けたニードルベアリング等の軸受８（図５も参照）に回転可能に支持される。出力軸５の内側には、入力軸２７を回転可能に支持する第二の軸受４２が設けられる。第二の軸受４２は止め輪４５等によって出力軸５に固定される。

減速機の動作原理は以下のとおりである。入力軸２７を回転させると、入力軸２７の偏心軸部２７ｃに支持される第一の外歯車２１が第一の内歯車２２に噛み合った状態で第一の内歯車２２の内側を自転しながら公転する。そして、第一の外歯車２１に軸方向に連結される第二の外歯車２４が第二の内歯車２５に噛み合った状態で第二の内歯車２５の内側を自転しながら公転する。第一の外歯車２１の歯数と第二の外歯車２４の歯数が等しく、かつ第一の内歯車２２の歯数と第二の内歯車２５の歯数が等しいと仮定すると、第一の内歯車２２内での第一の外歯車２１の円周方向の位相と第二の内歯車２５内での第二の外歯車２４の円周方向の位相が一致する。しかし、第一の内歯車２２の歯数と第二の内歯車２５の歯数、及び第一の外歯車２１の歯数と第二の外歯車２４の歯数とが異なっているので、第一の外歯車２１の位相と第二の外歯車２４の位相に円周方向のずれが生ずる。このずれを吸収するように、第二の内歯車２５が一体に形成される出力軸５が軸線ａの回りを回転する。ここで、出力軸５が第一アーム１に固定されているので、出力軸５の替わりにハウジング４が軸線ａの回りを回転する。第一の外歯車２１の歯数と第二の外歯車２４の歯数の差を小さくし、かつ第一の内歯車２２の歯数と第二の内歯車２５の歯数の差を小さくすることで、大減速比を得ることが可能になる。

本実施形態のアクチュエータ１１によれば以下の効果を奏する。減速機１２の出力軸５が固定側の第一アーム１に結合され、アクチュエータ１１の体積のほとんどを占める減速機１２のハウジング４が駆動側の第二アーム２に結合されるので、駆動側のスペース（ロボットの関節３内のスペース）を減速機１２のためのスペースとして有効利用できる。また、ハウジング４の重量は出力軸５に比べて重いものの、ハウジング４の回転は減速されているので、ハウジング４が回転することによる慣性モーメントの影響も少なく、実用的なアクチュエータ１１になる。

固定側の第一アーム１とハウジング４との間に軸受７を介在することで、第一アーム１に対するハウジング４の回転を安定させることができる。

第一アーム１に二股に分かれた一対の支持部１ａ，１ｂを設け、第二アーム２に一対の支持部１ａ，１ｂ間に挟まれる連結部２ａを設け、連結部２ａ内にアクチュエータ１１のハウジング４を収容することで、駆動側の第二アーム２の連結部２ａ内のスペースを有効利用することができる。

出力軸５に対するハウジング４の回転角度を３６０度未満に制限することで、スリップリング等の通電装置を不要にすることができる。

減速機１２を二組の歯車機構２３，２６から構成することで、大減速比を得た上で減速機１２の小型化を図ることができる。

図７は、本発明の第二の実施形態のアクチュエータの減速機の斜視図を示す。図７において、第一の内歯車１０１及び第二の内歯車１０２の一部を切断して、減速機の内部構造を示す。図７には省略されているが、減速機には図５に示すモータ１３が結合される。減速機は、ハウジング１０４と、入力軸としてのキャリア１０９と、出力軸１０７と、を備える。モータ１３（図５参照）がキャリア１０９を回転させると、ハウジング１０４が回転する。

図５に示すように、上記第一の実施形態のアクチュエータでは、第一の内歯車２２及び第二の内歯車２５の内側に一つの第一の外歯車２１及び一つの第二の外歯車２４が配置される。これに対し、図７に示すように、この第二の実施形態のアクチュエータでは、第一の内歯車１０１及び第二の内歯車１０２の内側に複数の遊星歯車１０８が配置される。そして、各遊星歯車１０８に第一の内歯車１０１に噛み合う第一の外歯車１１１及び第二の内歯車１０２に噛み合う第二の外歯車１１２を設けている点が、第一の実施形態のアクチュエータと異なる。第一の内歯車１０１、複数の第一の外歯車１１１、第二の内歯車１０２、複数の第二の外歯車１１２が、減速機構を構成する。

以下に、第二の実施形態の減速機の構造を詳細に説明する。第二の実施形態の減速機は、第一の内歯車１０１を有するハウジング１０４と、第二の内歯車１０２を有する出力軸１０７と、複数の遊星歯車１０８と、複数の遊星歯車１０８を自公転可能に支持するキャリア１０９と、を備える。遊星歯車１０８の第一の外歯車１１１は第一の内歯車１０１のみに噛み合い、第二の外歯車１１２は第二の内歯車１０２のみに噛み合う。

ハウジング１０４の歯車部１０５には、第一の内歯車１０１が一体に形成される。出力軸１０７には、第二の内歯車１０２が一体に結合される。第一の内歯車１０１の中心線Ｃと第二の内歯車１０２の中心線Ｃとは一致する。出力軸１０７はハウジング１０４に対して中心線Ｃの回りを相対的に回転可能である。キャリア１０９はハウジング１０４に対して中心線Ｃの回りを相対的に回転可能である。キャリア１０９には複数の遊星歯車１０８が自公転可能に支持される。遊星歯車１０８の第一の外歯車１１１は第一の内歯車１０１に噛み合い、遊星歯車１０８の第二の外歯車１１２は第二の内歯車１０２に噛み合う。遊星歯車１０８の第一の外歯車１１１と第二の外歯車１１２は歯数及びモジュールの少なくとも一方が異なっている。

減速機の各部の詳細な構造は以下のとおりである。図７に示すように、ハウジング１０４は、第一の内歯車１０１が一体に形成される歯車部１０５と、出力軸１０７を回転可能に支持するリング状の軸受外輪部１０６と、を結合してなる。歯車部１０５は略円筒形状をなし、歯車部１０５の内周面に第一の内歯車１０１が形成される。歯車部１０５にはフランジ１０５ａが設けられる。歯車部１０５のフランジ１０５ａには軸受外輪部１０６がボルト等の締結部材１１３によって結合される。軸受外輪部１０６は、クロスローラ軸受の外輪を構成する。クロスローラ軸受は、円筒形のころ１１４を隣接するころ１１４の軸線が直交するように交互に並べたものである。クロスローラ軸受を使用することで、ハウジング１０４に対して出力軸１０７を高い剛性で支持することができる。軸受外輪部１０６の内周面には、断面Ｖ字形状のころ転走面１０６ａが形成される。軸受外輪部１０６は図示するように二分割されてもよいし、一体でもよい。軸受外輪部１０６のころ転走面１０６ａと第一の内歯車１０１とでは焼入れの仕方が異なる。歯車部１０５と軸受外輪部１０６とを別体にし、別々に焼き入れした後、これらを締結部材１１３で一体に結合する。ハウジング１０４には、ハウジング１０４を第二アーム２の連結部２ａ（図３参照）に結合するための取付け穴１０４ａが加工される。

図８の断面図に示すように、出力軸１０７は、第二の内歯車１０２が一体に形成される略円筒状の歯車部１１５と、クロスローラ軸受の内輪を構成する軸受内輪部１１６と、を結合してなる。歯車部１１５は略円筒形状をなし、歯車部１１５の内周面に第二の内歯車１０２が形成される。歯車部１１５にはフランジ１１５ａが設けられる。歯車部１１５のフランジ１１５ａにはボルト等の締結部材１１７によって軸受内輪部１１６が結合される。軸受内輪部１１６の外周面には、断面Ｖ字形状のころ転走面１１６ａが形成される。軸受内輪部１１６のころ転走面１１６ａと第二の内歯車１０２とでは焼入れの仕方が異なる。歯車部１１５と軸受内輪部１１６とを別体にし、別々に焼き入れした後、これらを締結部材１１７で一体に結合する。出力軸１０７には、出力軸１０７を保持プレート６（図３参照）を介して第一アーム１（図３参照）に結合するためのタップ穴１０７ａ（図７参照）が加工される。

図９の分解斜視図に示すように、キャリア１０９は円筒形をなす。キャリア１０９の中心線方向の両端部には、ハウジング１０４に対してキャリア１０９を相対的に回転可能に支持する一対の軸受１１８が設けられる。キャリア１０９には円周方向に均等間隔を空けて複数の収容凹部１２１が形成される。複数の収容凹部１２１には、複数の遊星歯車１０８が収容される。

図１０のキャリア１０９の分解斜視図に示すように、キャリア１０９は、遊星歯車１０８の遊星軸１２２の両端部を支持する一対の円盤状の軸支持部１０９ａと、軸支持部１０９ａ，１０９ａを連結するキャリア本体１０９ｂと、を備える。キャリア１０９の剛性を上げるために、軸支持部１０９ａ，１０９ａとキャリア本体１０９ｂとは一体に形成される。軸支持部１０９ａ，１０９ａとキャリア本体１０９ｂとはボルト等の締結部材によって結合されるのではなく、単一の部品からなる。キャリア１０９には、キャリア１０９を中心線方向に貫通する貫通孔１２４が形成される。遊星歯車１０８の遊星軸１２２は、収容凹部１２１に収容された遊星歯車１０８及びキャリア１０９を貫通し、両端部がキャリア１０９の軸支持部１０９ａに支持される。キャリア１０９の端面１０９ａ１にはモータ３３（図５参照）に結合するためのタップ穴（図示せず）が加工される。

図１１は、遊星歯車１０８の分解斜視図を示す。遊星歯車１０８は、第一の外歯車１１１及び第二の外歯車１１２が形成される遊星歯車本体１２６と、遊星歯車本体１２６を回転可能に支持する遊星軸１２２と、を備える。第一の外歯車１１１と第二の外歯車１１２とは、互いの軸線が一致するように軸方向に一体に結合される。遊星歯車本体１２６は中空に形成され、遊星歯車本体１２６と遊星軸１２２との間には、ニードルベアリング等の軸受１２７が介在する。軸受１２７を保持するために遊星歯車本体１２６にはワッシャ１２８が組み込まれる。遊星軸１２２の軸方向の両端部には、端に向かって徐々に径が小さくなるようなテーパ１２２ａが形成される。

図１２（ｂ）は中心線の方向から見たキャリア１０９の軸支持部１０９ａの詳細図を示す。キャリア１０９の軸支持部１０９ａの貫通孔１２４には、遊星歯車１０８の遊星軸１２２が挿入される。貫通孔１２４は径方向（図１２（ｂ）中Ｘ方向）に細長い長孔に形成される。遊星軸１２２の側面はトルク伝達のためにキャリア１０９に接する一方、遊星軸１２２の上下面とキャリア１０９との間には隙間δが存在する。遊星軸１２２は、キャリア１０９に径方向（図中Ｘ方向）に移動可能にかつ円周方向（図中Ｙ方向）に移動不可能に支持される。

図１２（ａ）に示すように、外力が作用するとき、第一の外歯車１１１には矢印Ａ１で示す接線力が働き、第二の外歯車１１２には矢印Ａ２で示す接線力が働く。図７に示す出力軸１０７を固定し、キャリア１０９を回転させると、このような外力が働く。接線力Ａ１，Ａ２によって遊星歯車１０８にはヨー軸周りにモーメントＭが発生する。遊星軸１２２の円周方向（図中Ｙ方向の）の端部が一体型高剛性のキャリア１０９に接するので、モーメントによる遊星歯車１０８の位置ずれを防止することができる。

図１０に示すように、キャリア１０９には、遊星歯車１０８を第一及び第二の内歯車１０１，１０２に第一及び第二の内歯車１０１，１０２の径方向の外側に付勢する付勢手段が組み込まれる。付勢手段は、複数の遊星軸１２２の軸方向の両端部の内側に配置される一対のテーパ部１３１，１３２と、テーパ部１３１，１３２に弾性力を付与するテンションロッド１３３と、を備える。テーパ部１３１，１３２の外周面は遊星軸１２２の両端部のテーパ１２２ａに接する（図８参照）。テンションロッド１３３は一対のテーパ部１３１，１３２を貫通し、テンションロッド１３３の先端部にはナット１３４が螺合する。ナット１３４を締めると、一対のテーパ部１３１，１３２が図８の矢印Ａ３の方向に互いに近づくように移動し、遊星軸１２２が第一及び第二の内歯車１０１，１０２の径方向（図８の矢印Ａ４の方向）の外側に移動し、遊星歯車１０８の第一及び第二の外歯車１１１，１１２に予圧がかかる。一対のテーパ部１３１，１３２は複数の遊星歯車１０８の遊星軸１２２の両端部を支えているので、複数の遊星歯車１０８の第一及び第二の外歯車１１１，１１２にかかる予圧は均等になる。大きな外力が作用したとき、又は歯車のピッチ誤差がある場合には、テンションロッド１３３が伸びて、遊星歯車１０８を第一及び第二の内歯車１０１，１０２の径方向の内側に退避させる。

本実施形態の減速機によれば、テンションロッド１３３が遊星歯車１０８を第一及び第二の内歯車１０１，１０２に第一及び第二の内歯車１０１，１０２の径方向の外側に付勢するので、遊星歯車１０８に予圧がかかり、バックラッシが低減する。また、テーパ部１３１，１３２を利用して遊星歯車１０８を第一及び第二の内歯車１０１，１０２の径方向の外側に移動させるので、楔の効果により大きい予圧力を得ることができる。さらに、テンションロッド１３３は変位に対して荷重が直ぐに立ち上がるという特性を持つので、減速機の回転剛性（出力軸１０７を固定してキャリア１０９を回転させるときの剛性）を向上させることができる。

キャリア１０９を回転させると、ハウジング１０４が減速して回転する原理は以下のとおりである。キャリア１０９を回転させると、キャリア１０９に支持される遊星歯車１０８の第一の外歯車１１１が第一の内歯車１０１に噛み合いながら第一の内歯車１０１の内側を自公転する。第一の外歯車１１１には第二の外歯車１１２が軸方向に連結されるので、第一の外歯車１１１の自公転と一緒に第二の外歯車１１２が第二の内歯車１０２に噛み合いながら第二の内歯車１０２の内側を自公転する。第二の内歯車１０２は第一の内歯車１０１に対して歯数差があり、及び／又は第二の外歯車１１２は第一の外歯車１１１に対して歯数差がある。このため、第一の内歯車１０１と第二の内歯車１０２との歯数差、及び／又は第一の外歯車１１１と第二の外歯車１１２との歯数差に応じて、第二の内歯車１０２が回転し、第二の内歯車１０２に固定された出力軸１０７が回転しようとする。ここで、出力軸１０７が固定されているので、出力軸１０７の替わりにハウジング１０４がキャリア１０９の回転数に対して減速された回転数で回転する。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な実施形態に変更可能である。

本発明のアクチュエータはロボットの関節に組み込まれるアクチュエータとして最適であるが、本発明のアクチュエータはロボットの関節に限られることなく、固定側の第一部材に対して駆動側の第二部材を所定の軸線の回りに回転させるアクチュエータとして用いることができる。

上記実施形態では、第一の内歯車の歯数と第二の内歯車の歯数とが異なっており、第一の外歯車の歯数と第二の外歯車の歯数とが異なっているが、どちらか一方を一致させることも可能である。

上記実施形態では、減速機として二組の歯車機構を備える減速機を用いたが、波動減速機、遊星歯車式減速機、又はサイクロ減速機等を用いることもできる。

上記実施形態では、入力軸、出力軸及び減速機構がハウジングに覆われているが、入力軸の軸線方向の一端部がハウジングから突出していてもよいし、出力軸の軸線方向の一端部がハウジングから突出していてもよいし、減速機構の一部がハウジングから突出していてもよい。

上記実施形態では、モータとして入力軸の外側とハウジングの内側との間に介在する中空モータを使用しているが、入力軸にカップリングを介してモータを接続してもよい。

上記実施形態では、出力軸に対するハウジングの回転角度を３６０度未満に制限し、スリップリング等の通電装置を不要としているが、スリップリング等の通電装置を設ければ、出力軸に対するハウジングの回転角度を３６０度以上にすることもできる。

上記実施形態では、第一アームとハウジングとの間にハウジングを回転可能に支持する軸受を介在するが、第一アームと第二アームとの間に軸受を介在することもできる。

１…第一アーム（第一部材），１ａ，１ｂ…支持部，２…第二アーム（第二部材），２ａ…連結部，３…関節，４…ハウジング，５…出力軸，７…軸受，１１…アクチュエータ，１２…減速機，１３…モータ（駆動源），２１…第一の外歯車，２２…第一の内歯車，２３…第一の歯車機構（減速機構），２４…第二の外歯車，２５…第二の内歯車，２６…第二の歯車機構（減速機構），２７…入力軸，３１…固定子，３２…可動子，３３…モータ（駆動源），１０１…第一の内歯車，１０２…第二の内歯車，１０４…ハウジング，１０７…出力軸，１０９…キャリア（入力軸），１１１…第一の外歯車，１１２…第二の外歯車

Claims (6)

1. 固定側の第一部材に対して駆動側の第二部材を所定の軸線の回りを回転駆動させるアクチュエータであって、
   入力軸、出力軸、前記入力軸の回転を減速して出力軸に伝える減速機構、及びハウジングを有し、前記出力軸を固定した状態で前記入力軸を回転させると前記ハウジングが前記所定の軸線の回りを回転するように前記ハウジングに前記減速機構の一部が固定される減速機と、
   前記減速機の前記入力軸を回転させる駆動源と、を備え、
   前記減速機の前記出力軸が固定側の前記第一部材に結合され、前記減速機の前記ハウジングが駆動側の前記第二部材に結合されるアクチュエータ。
2. 前記アクチュエータはさらに、
   前記第一部材と前記ハウジングとの間に介在し、前記ハウジングを前記所定の軸線の回りを回転可能に支持する軸受を備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第一部材は、二股に分かれた一対の支持部を有し、
   前記第二部材は、前記第一部材の一対の支持部間に挟まれる連結部を有し、
   前記第二部材の前記連結部に前記減速機の前記ハウジングが収容され、前記一対の支持部の少なくとも一方に前記出力軸が結合されることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
4. 前記出力軸に対する前記ハウジングの回転角度が３６０度未満に制限されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 前記減速機構は、
   前記ハウジングに設けられる第一の内歯車と、
   前記出力軸に設けられる第二の内歯車と、
   前記入力軸の回転によって前記第一の内歯車の内側を前記第一の内歯車に噛み合った状態で自転しながら公転する第一の外歯車と、
   前記第一の外歯車に軸方向に結合されると共に、前記入力軸の回転によって前記第二の内歯車の内側を前記第二の内歯車に噛み合った状態で自転しながら公転する第二の外歯車と、を有し、
   前記第二の内歯車は前記第一の内歯車に対して歯数差があり、及び／又は前記第二の外歯車は前記第一の外歯車に対して歯数差があることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載のアクチュエータがロボットの関節に組み込まれることを特徴とするロボットの関節構造。