JP2018025291A - ロボットおよび歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歯車装置に用いる潤滑剤の潤滑寿命を効果的に向上させることができるロボットおよび歯車装置を提供すること。【解決手段】第１部材と、前記第１部材に対して回動可能に設けられた第２部材と、前記第１部材および前記第２部材の一方側から他方側へ駆動力を伝達する歯車装置と、を備え、前記歯車装置は、前記駆動力の伝達経路の途中に設けられ、互いに噛み合う内歯および外歯と、前記内歯と前記外歯との間に配置されている潤滑剤と、を有し、前記外歯の構成材料の平均結晶粒径が前記内歯の構成材料の平均結晶粒径よりも小さいことを特徴とするロボット。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットおよび歯車装置に関するものである。

少なくとも１つのアームを含んで構成されたロボットアームを備えるロボットでは、例えば、ロボットアームの関節部をモーターにより駆動するが、一般に、そのモーターからの駆動力（回転力）による回転を減速機により減速することが行われている。このような減速機として、例えば、特許文献１に記載されている波動歯車装置のような歯車装置が知られている。

特許文献１に記載の波動歯車装置は、環形状をした剛性の内歯歯車と、環形状をした可撓性の外歯歯車と、この外歯歯車を半径方向にて内歯歯車に部分的に噛み合わせるとともに当該噛み合わせ位置を円周方向に移動させる波動発生器と、を備える。そして、内歯歯車および外歯歯車の歯面部には、グリースが充填されている。

特開２００２−３４９６８１号公報

特許文献１に記載の波動歯車装置では、内歯歯車および外歯歯車が極めて少ないバックラッシュで互いに噛み合う。従来、このような噛み合い部における潤滑剤の潤滑寿命が短く、かかる波動歯車装置をロボットに用いた場合、焼き付きや摩耗等が比較的早期に生じやすいという問題があった。

本発明の目的は、歯車装置に用いる潤滑剤の潤滑寿命を効果的に向上させることができるロボットおよび歯車装置を提供することにある。

上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のロボットは、第１部材と、
前記第１部材に対して回動可能に設けられた第２部材と、
前記第１部材および前記第２部材の一方側から他方側へ駆動力を伝達する歯車装置と、を備え、
前記歯車装置は、
前記駆動力の伝達経路の途中に設けられ、互いに噛み合う内歯および外歯と、
前記内歯と前記外歯との間に配置されている潤滑剤と、を有し、
前記外歯の構成材料の平均結晶粒径が前記内歯の構成材料の平均結晶粒径よりも小さいことを特徴とする。

このようなロボットによれば、外歯の結晶粒径を小さくして、潤滑剤を外歯上に保持させやすくすることができる。そのため、潤滑剤を外歯の回転による遠心力に抗して外歯上に留めておくことができる。その一方で、内歯の結晶粒径を大きくして、潤滑剤を内歯上に沿って流動させやすくすることができる。そのため、潤滑剤が内歯上で偏ったり固化したりするのを低減することができる。そして、前述したような、潤滑剤を外歯上に留めておく効果、および、潤滑剤が内歯上で偏ったり固化したりするのを低減する効果の２つの効果が相乗して、潤滑剤の潤滑寿命を効果的に向上させることができる。

本発明のロボットでは、前記内歯の構成材料の平均結晶粒径が２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

これにより、潤滑剤を内歯上に沿ってより効果的に流動させることができる。また、内歯が金属で構成されている場合において、内歯の機械的強度を優れたものとすることができる。

本発明のロボットでは、前記外歯の構成材料の平均結晶粒径が０．５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

これにより、潤滑剤を外歯上により効果的に保持させることができる。また、外歯が金属で構成されている場合において、外歯の機械的強度を優れたものとすることができる。

本発明のロボットでは、前記内歯および前記外歯は、それぞれ、金属材料で構成されていることが好ましい。

一般に、金属は、優れた機械的特性を有するとともに、比較的簡単に機械加工でき、また、その加工精度も高い。そのため、優れた特性（機械的強度、精度等）を有する内歯および外歯を簡単に実現することができる。

本発明のロボットでは、前記内歯は、鋳鉄および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか一方で構成されていることが好ましい。

これにより、優れた特性（機械的強度、精度等）を有する内歯を簡単に実現することができる。特に、鋳鉄および析出硬化型ステンレス鋼は、それぞれ、潤滑剤を内歯上に沿って効果的に流動させる適切な結晶粒径を実現しやすく、また、機械的強度および加工性のバランスに優れている。そのため、内歯を鋳鉄および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか一方で構成することで、内歯の機械的強度を優れたものとしつつ、潤滑剤を内歯上に沿ってより効果的に流動させることができる。

本発明のロボットでは、前記外歯は、ニッケルクロムモリブデン鋼、マルエージング鋼および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか１つで構成されていることが好ましい。

これにより、優れた特性（機械的強度、精度等）を有する外歯を簡単に実現することができる。特に、ニッケルクロムモリブデン鋼、マルエージング鋼および析出硬化型ステンレス鋼は、それぞれ、潤滑剤を外歯上に効果的に保持させる適切な結晶粒径を実現しやすく、また、機械的強度および加工性のバランスに優れている。そのため、外歯をニッケルクロムモリブデン鋼、マルエージング鋼および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか１つで構成することで、外歯の機械的強度を優れたものとしつつ、潤滑剤を外歯上により効果的に保持させることができる。

本発明のロボットでは、前記歯車装置は、
前記内歯を有する内歯車と、
前記内歯に部分的に噛み合う前記外歯を有する可撓性の外歯車と、
前記外歯車を撓めて前記内歯車と前記外歯車との噛み合い位置を周方向に移動させる波動発生器と、を有することが好ましい。

このような歯車装置では、一般に、内歯車および外歯車が極めて少ないバックラッシュで互いに噛み合うため、潤滑剤の潤滑寿命に対する要求が極めて高い。そのため、このような歯車装置に本発明を適用すると、その効果が顕著となる。

本発明の歯車装置は、互いに噛み合う内歯および外歯と、
前記内歯と前記外歯との間に配置されている潤滑剤と、を有し、
前記外歯の構成材料の平均結晶粒径が前記内歯の構成材料の平均結晶粒径よりも小さいことを特徴とする。
このような歯車装置によれば、潤滑剤の潤滑寿命を効果的に向上させることができる。

本発明のロボットの実施形態の概略構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る歯車装置を示す分解斜視図である。 図２に示す歯車装置の縦断面図である。 図２に示す歯車装置の正面図である。 図２に示す歯車装置の噛合部および摺動部に配置された潤滑剤を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る歯車装置を示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る歯車装置を示す分解斜視図である。 図７に示す歯車装置の縦断面図である。

以下、本発明のロボットおよび歯車装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．ロボット
まず、本発明のロボットの実施形態について説明する。

図１は、本発明のロボットの実施形態の概略構成を示す図である。
図１に示すロボット１００は、精密機器やこれを構成する部品（対象物）の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。

ロボット１００は、６軸の垂直多関節ロボットであり、基台１１１と、基台１１１に接続されたロボットアーム１２０と、ロボットアーム１２０の先端部に設けられた力検出器１４０およびハンド１３０と、を有する。また、ロボット１００は、ロボットアーム１２０を駆動させる動力を発生させる複数の駆動源（モーター１５０および歯車装置１を含む）を制御する制御装置１１０と、を有している。

基台１１１は、ロボット１００を任意の設置箇所に取り付ける部分である。なお、基台１１１の設置箇所は、特に限定されず、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などが挙げられる。

ロボットアーム１２０は、第１アーム１２１（アーム）と、第２アーム１２２（アーム）と、第３アーム１２３（アーム）と、第４アーム１２４（アーム）と、第５アーム１２５（アーム）と、第６アーム１２６（アーム）とを有し、これらが基端側（基台側）から先端側に向ってこの順に連結されている。第１アーム１２１は、基台１１１に接続されている。第６アーム１２６の先端には、例えば、各種部品等を把持するハンド１３０（エンドエフェクター）が着脱可能に取り付けられている。このハンド１３０は、２本の指１３１、１３２を有しており、指１３１、１３２で例えば各種部品等を把持することができる。

基台１１１には、第１アーム１２１を駆動するサーボモーター等のモーター１５０および歯車装置１（減速機）を有する駆動源が設けられている。また、図示しないが、各アーム１２１〜１２６にも、それぞれ、モーターおよび減速機を有する複数の駆動源が設けられている。そして、各駆動源は、制御装置１１０により制御される。

このようなロボット１００では、歯車装置１が、基台１１１（第１部材）および第１アーム１２１（第２部材）の一方から他方へ駆動力を伝達する。より具体的には、歯車装置１が、第１アーム１２１を基台１１１に対して回動させる駆動力を基台１１１側から第１アーム１２１側へ伝達する。ここで、歯車装置１が減速機として機能することにより、駆動力の回転を減速して第１アーム１２１を基台１１１に対して回動させることができる。なお、「回動」とはある中心点に対して一方向またはその反対方向を含めた双方向に動くこと、および、ある中心点に対して回転することを含むものである。

このように、ロボット１００は、「第１部材」である基台１１１と、基台１１１に対して回動可能に設けられた「第２部材」である第１アーム１２１と、基台１１１（第１部材）および第１アーム１２１（第２部材）の一方側から他方側へ駆動力を伝達する歯車装置１と、を備えている。なお、第２〜第６アーム１２２〜１２６のうち第１アーム１２１側から順次選択した任意の数のアームを「第２部材」と捉えてもよい。すなわち、第１アーム１２１、および、第２〜第６アーム１２２〜１２６のうち第１アーム１２１側から順次選択した任意の数のアームからなる構造体が「第２部材」であるとも言える。例えば、第１、第２アーム１２１、１２２からなる構造体が「第２部材」であるとも言えるし、ロボットアーム１２０全体が「第２部材」であるとも言える。また、「第２部材」がハンド１３０を含んでいてもよい。すなわち、ロボットアーム１２０およびハンド１３０からなる構造体が「第２部材」であるとも言える。

以上説明したようなロボット１００は、以下に説明するような歯車装置１を備えることにより、歯車装置１に用いる潤滑剤の潤滑寿命を効果的に向上させることができる。

２．歯車装置
以下、本発明の歯車装置の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図２は、本発明の第１実施形態に係る歯車装置を示す分解斜視図である。図３は、図２に示す歯車装置の縦断面図である。図４は、図２に示す歯車装置の正面図である。なお、各図では、説明の便宜上、必要に応じて各部の寸法を適宜誇張して図示しており、各部間の寸法比は実際の寸法比とは必ずしも一致しない。

図２ないし図４に示す歯車装置１は、波動歯車装置であり、例えば減速機として用いられる。この歯車装置１は、内歯車である剛性歯車２と、剛性歯車２の内側に配置されているカップ型の外歯車である可撓性歯車３と、可撓性歯車３の内側に配置されている波動発生器４と、を有している。

この歯車装置１では、可撓性歯車３の横断面が波動発生器４により楕円形または長円形に変形した部分を有し、当該部分の長軸側の両端部において可撓性歯車３が剛性歯車２と噛み合っている。そして、剛性歯車２および可撓性歯車３の歯数が互いに異なっている。

本実施形態では、剛性歯車２が前述したロボット１００の基台１１１（第１部材）側に固定され、可撓性歯車３が前述したロボット１００の第１アーム１２１（第２部材）側に接続され、波動発生器４が前述したロボット１００のモーター１５０の回転軸側に接続されている。

このような歯車装置１において、例えば、波動発生器４に駆動力（例えば、前述したモーター１５０からの駆動力）が入力されると、剛性歯車２および可撓性歯車３は、互いの噛み合い位置が周方向に移動しながら、歯数差に起因して軸線ａまわりに相対的に回転する。これにより、駆動源から波動発生器４に入力された駆動力（回転力）による回転を減速して可撓性歯車３から出力することができる。すなわち、波動発生器４を入力軸側、可撓性歯車３を出力軸側とする減速機を実現することができる。

なお、剛性歯車２、可撓性歯車３および波動発生器４の接続形態は、前述した形態に限定されず、例えば、可撓性歯車３を基台１１１側に固定し、剛性歯車２を第１アーム１２１側に接続しても、歯車装置１を減速機として用いることができる。また、可撓性歯車３をモーター１５０の回転軸側に接続しても、歯車装置１を減速機として用いることができ、この場合、波動発生器４を基台１１１側に固定し、剛性歯車２を第１アーム１２１側に接続すればよい。また、歯車装置１を増速機として用いる場合（入力された駆動力の回転を増速させる場合）、前述した入力側（モーター１５０側）と出力側（第１アーム１２１側）との関係を反対にすればよい。

以下、歯車装置１の構成を簡単に説明する。
図２ないし図４に示すように、剛性歯車２は、径方向に実質的に撓まない剛体で構成された歯車であって、内歯２３を有するリング状の内歯車である。本実施形態では、剛性歯車２が、平歯車である。すなわち、内歯２３は、軸線ａに対して平行な歯スジを有する。

可撓性歯車３は、剛性歯車２の内側に挿通されている。この可撓性歯車３は、径方向に撓み変形可能な可撓性を有する歯車であって、剛性歯車２の内歯２３に噛み合う外歯３３（歯）を有する外歯車である。また、可撓性歯車３の歯数は、剛性歯車２の歯数よりも少ない。このように可撓性歯車３および剛性歯車２の歯数が互いに異なることにより、減速機を実現することができる。

本実施形態では、可撓性歯車３は、一端が開口したカップ状をなし、その開口側の端部に外歯３３が形成されている。ここで、可撓性歯車３は、軸線ａまわりの筒状（より具体的には円筒状）の胴部３１（筒部）と、胴部３１の軸線ａ方向での一端部側に接続されている底部３２と、を有する。これにより、胴部３１の底部３２とは反対側の端部を径方向に撓み易くすることができる。そのため、剛性歯車２に対する可撓性歯車３の良好な撓み噛み合いを実現することができる。また、胴部３１の底部３２側の端部の剛性を高めることができる。そのため、底部３２に入力軸または出力軸を安定的に接続することができる。

また、図３に示すように、底部３２には、軸線ａに沿って貫通した孔３２１と、孔３２１の周囲において貫通した複数の孔３２２と、が形成されている。孔３２１には、出力側の軸体を挿通することができる。また、孔３２２には、出力側の軸体を底部３２に固定するためのネジを挿通するネジ孔として用いることができる。なお、これらの孔は、適宜設ければよく、省略することもできる。

図３に示すように、波動発生器４は、可撓性歯車３の内側に配置され、軸線ａまわりに回転可能である。そして、波動発生器４は、可撓性歯車３の底部３２とは反対側の部分の横断面を長軸Ｌａおよび短軸Ｌｂとする楕円形または長円形に変形させて外歯３３を剛性歯車２の内歯２３に噛み合わせる（図４参照）。ここで、可撓性歯車３および剛性歯車２は、同一の軸線ａまわりに回転可能に互いに内外で噛み合わされることとなる。

本実施形態では、波動発生器４は、本体部４１と、本体部４１から軸線ａに沿って突出した軸部４２と、本体部４１に対して軸線ａに平行な軸線ａ１まわりに回転可能に設けられた１対のローラー４３と、を有する。このような波動発生器４は、１対のローラー４３が可撓性歯車３の内周面上を転動しながら可撓性歯車３を内側から押し広げて、本体部４１、軸部４２および１対のローラー４３が軸線ａまわりに回転可能である。したがって、例えば、駆動源から波動発生器４に駆動力が入力されると、剛性歯車２および可撓性歯車３の互いの噛み合い位置が周方向に移動する。

以上、歯車装置１の構成を簡単に説明した。このような歯車装置１では、前述したように、例えば、波動発生器４に駆動力（例えば、前述したモーター１５０からの駆動力）が入力されると、剛性歯車２および可撓性歯車３は、互いの噛み合い位置が周方向に移動しながら、歯数差に起因して軸線ａまわりに相対的に回転する。ここで、歯車装置１の各部の摩擦を低減するため、潤滑剤が用いられるが、歯車装置１は、剛性歯車２と可撓性歯車３との噛み合い部において、潤滑剤を良好な状態で長期にわたり保持するため、以下に述べるような構成を有する。

図５は、図２に示す歯車装置の噛合部および摺動部に配置された潤滑剤を説明する図である。

前述したように、歯車装置１は、内歯２３を有する「内歯車」である剛性歯車２と、内歯２３に部分的に噛み合う外歯３３を有する可撓性の「外歯車」である可撓性歯車３と、可撓性歯車３を撓めて剛性歯車２と可撓性歯車３との噛み合い位置を周方向に移動させる波動発生器４と、を有する。ここで、図５に示すように、剛性歯車２の内歯２３の歯面２３１と可撓性歯車３の外歯３３の歯面３３１との間の領域である噛合部６１には、潤滑剤５１が配置されている。すなわち、歯車装置１は、駆動力（例えばモーター１５０からの駆動力）の伝達経路の途中に設けられ、互いに噛み合う内歯２３および外歯３３と、内歯２３と外歯３３との間に配置されている潤滑剤５１と、を有する。ここで、「駆動力の伝達経路の途中」とは、駆動力の伝達経路の始点から終点までの任意の位置を言う。

内歯２３および外歯３３は、それぞれ、後述するような金属材料で構成されており、その金属組織内に結晶粒を有する。そして、外歯３３の構成材料の平均結晶粒径が内歯２３の構成材料の平均結晶粒径よりも小さい。

このような内歯２３および外歯３３の構成材料の平均結晶粒径の大小関係により、外歯３３の結晶粒径を小さくして、潤滑剤５１を外歯３３上に保持させやすくすることができる。そのため、潤滑剤５１を外歯３３の回転による遠心力に抗して外歯３３上に留めておくことができる。ここで、潤滑剤５１は、外歯３３の表面に存在する結晶粒界に優先的に保持される。これは、当該結晶粒界が潤滑剤５１を収容する微細な凹部や溝のような役割を果たすためと考えられる。したがって、外歯３３の結晶粒径を小さくすることで、外歯３３の表面に存在する結晶粒界の密度が高くなり、それに伴って、外歯３３の表面に潤滑剤５１が保持されやすくなる。

また、外歯３３の結晶粒径を小さくすると、外歯３３の機械的強度を高めるとともに、外歯３３の靱性を高めることができる。外歯３３は、前述したように剛性歯車２および可撓性歯車３の互いの噛み合い位置の移動に伴って変形を繰り返すことから、内歯２３に比べて高い機械的強度および靱性が要求される。そのため、外歯３３の機械的強度および靱性を高めることは極めて有益である。なお、一般に、金属の機械的強度は、結晶粒径の１／２乗に反比例して高まる。

その一方で、内歯２３の結晶粒径を大きくして、潤滑剤５１を内歯２３上に沿って流動させやすくすることができる。そのため、潤滑剤５１が内歯２３上で偏ったり固化したりするのを低減することができる。ここで、内歯２３は非回転であるため、内歯２３上において、前述した外歯３３のような遠心力が働かないため、もともと潤滑剤５１を保持しやすい傾向にある。そこで、内歯２３上の潤滑剤５１を流動しやすくすることで、潤滑剤５１の固着や必要箇所での油切れを防ぐ。これにより、潤滑剤５１の性能を十分に発揮させることが可能となる。

このように、歯車装置１では、前述したような、潤滑剤５１を外歯３３上に留めておく効果、および、潤滑剤５１が内歯２３上で偏ったり固化したりするのを低減する効果の２つの効果を同時に発揮させることができる。そして、この２つの効果が相乗して、潤滑剤５１の潤滑寿命を効果的に向上させることができる。特に、歯車装置１のような波動歯車装置では、一般に、内歯車および外歯車が極めて少ないバックラッシュで互いに噛み合うため、潤滑剤の潤滑寿命に対する要求が極めて高い。そのため、このような歯車装置に本発明を適用すると、その効果が顕著となる。

なお、詳細な説明は省略するが、可撓性歯車３の胴部３１の内周面３１１と波動発生器４のローラー４３の外周面４３１との間の領域である摺動部６２には、潤滑剤５２が配置されている。また、図示しないが、波動発生器４内の摺動部にも潤滑剤が配置されている。

ここで、「平均結晶粒径」は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１「鋼−結晶粒度の顕微鏡試験方法」に準拠して測定されるものである。この平均結晶粒径の測定に際しては、試験片（内歯または外歯）の表面を腐食液によりエッチングすることで結晶粒界を出現させ、その出現した結晶粒界を顕微鏡観察することにより行うが、腐食液としては、５％ナイタール（５％硝酸−エチルアルコール）を用いる。また、前述したような平均結晶粒径の大小関係は、少なくとも内歯２３および外歯３３において満たしていればよく、剛性歯車２および可撓性歯車３の他の部分同士において満たしていなくてもよいが、他の部分同士においても満たしていると、その効果が顕著となる。また、内歯２３および外歯３３の結晶粒径は、例えば、これらを構成する材料（金属組成）および製造時の熱処理等に応じて調整が可能である。

外歯３３の構成材料の平均結晶粒径をＡとし、内歯２３の構成材料の平均結晶粒径をＢとしたとき、Ａ＜Ｂなる関係を満たせばよいが、前述したような２つの効果を好適に発揮させる上で、好ましくは、１．２≦Ｂ／Ａ≦１００、より好ましくは、２≦Ｂ／Ａ≦５０とされる。これに対し、Ｂ／Ａが小さすぎると、前述した２つの効果のバランスが悪くなる傾向を示し、一方、Ｂ／Ａが大きすぎると、内歯２３と外歯３３の強度差が大きくなりすぎて、内歯２３および外歯３３のうちの一方の摩耗が早くなる傾向を示す。

内歯２３の構成材料の平均結晶粒径（Ｂ）は、特に限定されないが、２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、３０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内にあることがより好ましく、３０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にあることがさらに好ましい。これにより、潤滑剤５１を内歯２３上に沿ってより効果的に流動させることができる。また、内歯２３が金属で構成されている場合において、内歯２３の機械的強度を優れたものとすることができる。これに対して、かかる平均結晶粒径が小さすぎると、内歯２３上での潤滑剤５１の流動性が低下する傾向を示す。一方、かかる平均結晶粒径が大きすぎると、内歯２３の構成材料によっては、内歯２３の強度が不足する場合がある。なお、剛性歯車２の全体において、前述した平均結晶粒径の範囲を満たしていると、前述した効果が顕著となる。

一方、外歯３３の構成材料の平均結晶粒径（Ａ）は、前述したＡ＜Ｂを満たす限り特に限定されないが、０．５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあることがより好ましく、５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内にあることがさらに好ましい。これにより、潤滑剤５１を外歯３３上により効果的に保持させることができる。また、外歯３３が金属で構成されている場合において、外歯３３の機械的強度を優れたものとすることができる。これに対し、かかる平均結晶粒径が小さすぎると、外歯３３を製造する際の加工性が悪く、また、外歯３３の表面に存在する結晶粒界に起因する凹部の深さも小さくなるため、かえって、潤滑剤５１を外歯３３上に保持し難くなってしまう。一方、かかる平均結晶粒径が大きすぎると、潤滑剤５１を外歯３３上に保持する効果が低下する傾向を示し、また、外歯３３に必要な機械的強度および靱性を確保することが難しい。なお、可撓性歯車３の全体において、前述した平均結晶粒径の範囲を満たしていると、前述した効果が顕著となる。

ここで、内歯２３および外歯３３は、それぞれ、金属材料で構成されていることが好ましく、特に、機械的特性および加工性に優れ、かつ、比較的安価であることから、鉄系材料を用いることが好ましい。一般に、金属は、優れた機械的特性を有するとともに、比較的簡単に機械加工でき、また、その加工精度も高い。そのため、優れた特性（機械的強度、精度等）を有する内歯２３および外歯３３を簡単に実現することができる。特に、外歯３３は、前述したように高い靱性を有することが好ましいため、金属材料で構成されていることが好ましい。なお、内歯２３は、実質的な剛体であるため、セラミックス材料で構成することも可能であるが、外歯３３との強度のバランスから、金属材料を用いることが好ましい。

また、内歯２３を構成する金属材料は、前述したＡ＜Ｂを満たす限り特に限定されず、種々の金属材料を用いることができるが、特に、鋳鉄および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか一方であることが好ましい。内歯２３が鋳鉄および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか一方で構成されていることにより、優れた特性（機械的強度、精度等）を有する内歯２３を簡単に実現することができる。特に、鋳鉄および析出硬化型ステンレス鋼は、それぞれ、前述したような潤滑剤５１を内歯２３上に沿って効果的に流動させる適切な結晶粒径を実現しやすく、また、機械的強度および加工性のバランスに優れている。そのため、内歯２３を鋳鉄および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか一方で構成することで、内歯２３の機械的強度を優れたものとしつつ、潤滑剤５１を内歯２３上に沿ってより効果的に流動させることができる。なお、剛性歯車２の内歯２３の少なくとも表面が前述したような材料で構成されていればよいが、前述したような効果を顕著なものとするために、歯底部まで前述したような材料で構成することが好ましい。更には剛性歯車２全体を前述したような材料で構成すれば同様な効果を得つつ製造が比較的容易になる。また、鋳鉄および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか一方に他の物質を添加した材料で内歯２３を構成してもよい。

また、外歯３３を構成する金属材料は、前述したＡ＜Ｂを満たす限り特に限定されず、種々の金属材料を用いることができるが、特に、ニッケルクロムモリブデン鋼、マルエージング鋼および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか１つであることが好ましい。外歯３３がニッケルクロムモリブデン鋼、マルエージング鋼および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか１つで構成されていることにより、優れた特性（機械的強度、精度等）を有する外歯３３を簡単に実現することができる。特に、ニッケルクロムモリブデン鋼、マルエージング鋼および析出硬化型ステンレス鋼は、それぞれ、前述したような潤滑剤５１を外歯３３上に効果的に保持させる適切な結晶粒径を実現しやすく、また、機械的強度および加工性のバランスに優れている。そのため、外歯３３をニッケルクロムモリブデン鋼、マルエージング鋼および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか１つで構成することで、外歯３３の機械的強度を優れたものとしつつ、潤滑剤５１を外歯３３上により効果的に保持させることができる。なお、可撓性歯車３の外歯３３の表面が前述したような材料で構成されていればよいが、前述したような効果を顕著なものとするため、歯底部まで前述したような材料で構成することが好ましい。更には可撓性歯車３全体を前述したような材料で構成すれば同様な効果を得つつ製造が比較的容易になる。また、ニッケルクロムモリブデン鋼、マルエージング鋼および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか１つに他の物質を添加した材料で外歯３３を構成してもよい。

また、潤滑剤５１は、グリースであっても潤滑油であってもよいが、グリースであることが好ましい。すなわち、潤滑剤５１は、基油および増ちょう剤を含んでいることが好ましい。これにより、潤滑剤５１を固体状または半固体状のグリースとすることができる。したがって、潤滑剤５１を必要箇所に留まらせやすくすることができる。ここで、増ちょう剤としては、例えば、カルシウム石けん、カルシウム複合石けん、ナトリウム石けん、アルミニウム石けん、リチウム石けん、リチウム複合石けん等の石けん系、また、ポリウレア、ナトリウムテレフタメート、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、有機ベントナイト、シリカゲル等の非石けん系等が挙げられ、これらのうちの１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができるが、リチウム石けんを用いることが好ましい。増ちょう剤としてリチウム石けんを用いることにより、潤滑剤５１のせん断安定性を優れたものとすることができる。また、潤滑剤５１の潤滑剤としての特性のバランスを優れたものとすることができる。

また、基油としては、例えば、パラフィン系、ナフテン系等の鉱油（精製鉱物油）、ポリオレフィン、エステル、シリコーン等の合成油が挙げられ、これらのうちの１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。

また、潤滑剤５１が基油および増ちょう剤を含む場合、潤滑剤５１は、酸化防止剤、極圧剤、防錆剤等の添加剤、また、黒鉛、硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の固体潤滑剤等を含んでいることが好ましい。これにより、長期にわたり高い最大非焼付き荷重および融着荷重を発揮可能な潤滑剤５１を容易に得ることができる。

特に、潤滑剤５１が極圧剤を含んでいることが好ましい。これにより、潤滑対象部が極圧潤滑状態となっても、焼き付きやスカッフィングを効果的に防止することができる。特に、極圧剤として、有機モリブデン化合物、ジアルキルジチオリン酸亜鉛を用いることが好ましい。

潤滑剤５１が有機モリブデン化合物を含んでいることにより、潤滑対象部における摩擦を効果的に低減することができる。特に、有機モリブデンは、二硫化モリブデンと同等の極圧性および耐摩耗性を発揮し、しかも、二硫化モリブデンに比べて酸化安定性に優れる。そのため、潤滑剤５１の長寿命化を図ることができる。ここで、潤滑剤５１中における有機モリブデン化合物の含有量は、例えば、１質量％以上５質量％以下の範囲内にあることが好ましい。また、潤滑剤５１中におけるジアルキルジチオリン酸亜鉛の含有量は、例えば、１質量％以上５質量％以下の範囲内にあることが好ましい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図６は、本発明の第２実施形態に係る歯車装置を示す縦断面図である。

なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。

図６に示す歯車装置１Ａは、剛性歯車２の内側に配置されているハット型の外歯車である可撓性歯車３Ａを有している。

この可撓性歯車３Ａは、軸線ａまわりに筒状をなす胴部３１の軸線ａ方向での一端部側に軸線ａとは反対側に突出して設けられたフランジ部３２Ａを有する。このような形状の可撓性歯車３Ａによっても、剛性歯車２に対する可撓性歯車３Ａの良好な撓み噛み合いを実現することができる。また、フランジ部３２Ａに入力軸または出力軸を安定的に接続することができる。

本実施形態では、フランジ部３２Ａには、軸線ａに沿って貫通した複数の孔３２２Ａが形成されている。この孔３２２Ａには、出力側の軸体をフランジ部３２Ａに固定するためのネジを挿通するネジ孔として用いることができる。また、フランジ部３２Ａの内周部３２１Ａには、出力側の軸体を挿通することができる。

このように、歯車装置１Ａは、内歯２３を有する「内歯車」である剛性歯車２と、内歯２３に部分的に噛み合う外歯３３を有する可撓性の「外歯車」である可撓性歯車３Ａと、可撓性歯車３Ａを撓めて剛性歯車２と可撓性歯車３Ａとの噛み合い位置を周方向に移動させる波動発生器４と、を有する。ここで、歯車装置１Ａは、互いに噛み合う内歯２３および外歯３３と、内歯２３と外歯３３との間に配置されている潤滑剤５１と、を有する。そして、前述した第１実施形態と同様、外歯３３の構成材料の平均結晶粒径が内歯２３の構成材料の平均結晶粒径よりも小さい。

以上説明したような第２実施形態によっても、潤滑剤５１の潤滑寿命を効果的に向上させることができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図７は、本発明の第３実施形態に係る歯車装置を示す分解斜視図である。図８は、図７に示す歯車装置の縦断面図である。

なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。

図７および図８に示す歯車装置２００は、円柱状の外形を有する本体部２０２を備えている。本体部２０２の軸線方向での一方側には、第１回転軸２０３が設けられ、一方、本体部２０２の軸線方向での他方側には、第２回転軸２０４が設けられている。第１回転軸２０３および第２回転軸２０４は、互いに同一の中心軸２０５を中心として回動する。ここで、中心軸２０５は、本体部２０２の軸線と同一線上に配置されている。本体部２０２を固定した状態で第１回転軸２０３を回動させると、その回動が後述するような本体部２０２内の機構によって減速されて第２回転軸２０４から出力される。つまり、第１回転軸２０３が高速回転する入力軸であり、第２回転軸２０４が低速回転する出力軸となる。

図７に示すように、歯車装置２００は、空洞部２０６ｃを有する円筒形のリングギア２０６を備えている。リングギア２０６の内周には、複数のギア歯２０６ａが形成されている。また、リングギア２０６の内側には、リングギア２０６の内周よりも少し小さい外周を有する第１公転ギア２０７および第２公転ギア２０８が設置されている。第１公転ギア２０７の外周には、ギア歯２０６ａの歯数よりも少ない数の複数のギア歯２０７ａが配置され、第２公転ギア２０８の外周には、ギア歯２０７ａの歯数と同じ数の複数のギア歯２０８ａが配置されている。そして、ギア歯２０７ａおよびギア歯２０８ａがギア歯２０６ａと噛み合っている。

第１公転ギア２０７の中央には、軸孔２０７ｂが設けられ、同様に、第２公転ギア２０８の中央には、軸孔２０８ｂが設けられている。軸孔２０７ｂには、第１ベアリング２０９が設置され、同様に、軸孔２０８ｂには、第２ベアリング２１０が設置されている。

第１回転軸２０３には、中心軸２０５に対して互いに反対側に同量偏心している円形カムである第１偏心カム２１１および第２偏心カム２１２が設置されている。そして、第１偏心カム２１１が第１ベアリング２０９の内輪に設置され、同様に、第２偏心カム２１２が第２ベアリング２１０の内輪に設置されている。これにより、ギア歯２０７ａがギア歯２０６ａと噛み合う部分と、ギア歯２０８ａがギア歯２０６ａと噛み合う部分との間に、中心軸２０５が位置している。

第１公転ギア２０７には、第１公転ギア２０７の中央を中心とする同心円上の４か所に第１貫通孔２０７ｃが設けられている。同様に、第２公転ギア２０８には、第２公転ギア２０８の中央を中心とする同心円上の４か所に第２貫通孔２０８ｃが設けられている。各第１貫通孔２０７ｃおよび各第２貫通孔２０８ｃには、それぞれ、第１公転ギア２０７の自転の動きを取り出すための貫通ピン２１３が挿入されている。各第１貫通孔２０７ｃの内周壁には、弾性を有する略円筒形の第１弾性部２１４が圧入により嵌めこまれている。同様に、各第２貫通孔２０８ｃの内周壁には、弾性を有する略円筒形の第２弾性部２１５が圧入により嵌めこまれている。ここで、貫通ピン２１３は、第１弾性部２１４および第２弾性部２１５の内側を貫通している。

各貫通ピン２１３は、本体部２０２の第１回転軸２０３側において、円板状の下蓋板２１６に取り付けられ、第２回転軸２０４側において、ナット２１７によって円板状の上蓋板２１８に固定されている。下蓋板２１６および上蓋板２１８は、中心軸２０５の軸方向に沿って並んでおり、リングギア２０６に対して回動可能となるように隙間をもってリングギア２０６を挟んでいる。

下蓋板２１６の中央には、第１回転軸２０３が挿入されている中心孔２１６ａが形成されている。そして、第１回転軸２０３の第１偏心カム２１１および第２偏心カム２１２側の一端部が下蓋板２１６から本体部２０２内へ突出し、第１回転軸２０３の他端部が下蓋板２１６から本体部２０２外に突出している。上蓋板２１８の中央には、第２回転軸２０４が固定されている。そして、上蓋板２１８の回転に伴って、上蓋板２１８の回転トルクが第２回転軸２０４に伝達される。

以上のように構成された歯車装置２００において、「内歯車」であるリングギア２０６と「外歯車」である第１公転ギア２０７および第２公転ギア２０８との噛み合い部には、図示しないが、前述した第１実施形態の潤滑剤５１と同様の潤滑剤が配置されている。そして、第１公転ギア２０７および第２公転ギア２０８のそれぞれの外歯の構成材料の平均結晶粒径は、リングギア２０６の内歯の構成材料の平均結晶粒径よりも小さい。

以上説明したような第３実施形態によっても、潤滑剤の潤滑寿命を効果的に向上させることができる。

以上、本発明のロボットおよび歯車装置を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

前述した実施形態では、ロボットが備える基台が「第１部材」、第１アームが「第２部材」であり、第１部材から第２部材へ駆動力を伝達する歯車装置について説明したが、本発明は、これに限定されず、第ｎ（ｎは１以上の整数）アームが「第１部材」、第（ｎ＋１）アームが「第２部材」であり、第ｎアームおよび第（ｎ＋１）アームの一方から他方へ駆動力を伝達する歯車装置についても適用可能である。また、第２部材から第１部材へ駆動力を伝達する歯車装置についても適用可能である。

また、前述した実施形態では、６軸の垂直多関節ロボットについて説明したが、本発明は、可撓性歯車を有する歯車装置を用いるものであれば、これに限定されず、例えば、ロボットの関節数は任意であり、また、水平多関節ロボット（スカラロボット）にも適用可能である。

また、本発明は、互いに噛み合う内歯および外歯を有する各種歯車装置に適用可能であり、歯車装置の構成は、前述した実施形態に限定されない。例えば、波動発生器が、玉軸受において内輪の外周面を楕円形とするとともに外輪を弾性変形な薄肉としたような形態であってもよい。

以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
１．歯車装置（減速機）の製造
（実施例１）
図２に示すような構成の歯車装置を製造した。

ここで、製造した歯車装置は、内歯車の外径φ６０、内歯車の内径および外歯車の外径（かみ合い基準円直径）φ４５、減速比５０であった。また、内歯車の構成材料として鋳鉄、外歯車の構成材料としてニッケルクロムモリブデン鋼を用いた。また、内歯車の内歯の構成材料の平均結晶粒径（Ｂ）は、２０μｍであり、外歯車の外歯の構成材料の平均結晶粒径（Ａ）は、０．５μｍであった。

（実施例２〜１３、比較例）
内歯車および外歯車の構成材料および平均結晶粒径を表１に示すようにした以外は、前述した実施例１と同様にして歯車装置を製造した。

なお、表１中、ＳＮＣＭ４３９は、ニッケルクロムモリブデン鋼であり、ＳＵＳ６３０は、析出硬化型ステンレス鋼であり、鋳鉄は、ダクタイル鋳鉄である。

２．評価
前述した１．で得られた各歯車装置について、入力軸回転数：２０００ｒｐｍ、負荷トルク１０００Ｎｍにて連続運転を行い、寿命（５０％故障確率の入力軸総回転数）を測定した。その結果を表１に併せて示す。

表１から明らかなように、各実施例は、比較例に比べて、寿命が格段に長くなっていることがわかる。

１…歯車装置、１Ａ…歯車装置、２…剛性歯車（内歯車）、３…可撓性歯車（外歯車）、３Ａ…可撓性歯車（外歯車）、４…波動発生器、２３…内歯、３１…胴部、３２…底部、３２Ａ…フランジ部、３３…外歯、４１…本体部、４２…軸部、４３…ローラー、５１…潤滑剤、５２…潤滑剤、６１…噛合部、６２…摺動部、１００…ロボット、１１０…制御装置、１１１…基台（第１部材）、１２０…ロボットアーム、１２１…第１アーム（第２部材）、１２２…第２アーム、１２３…第３アーム、１２４…第４アーム、１２５…第５アーム、１２６…第６アーム、１３０…ハンド、１３１…指、１３２…指、１４０…力検出器、１５０…モーター、２００…歯車装置、２０２…本体部、２０３…第１回転軸、２０４…第２回転軸、２０５…中心軸、２０６…リングギア、２０６ａ…ギア歯、２０６ｃ…空洞部、２０７…第１公転ギア、２０７ａ…ギア歯、２０７ｂ…軸孔、２０７ｃ…第１貫通孔、２０８…第２公転ギア、２０８ａ…ギア歯、２０８ｂ…軸孔、２０８ｃ…第２貫通孔、２０９…第１ベアリング、２１０…第２ベアリング、２１１…第１偏心カム、２１２…第２偏心カム、２１３…貫通ピン、２１４…第１弾性部、２１５…第２弾性部、２１６…下蓋板、２１６ａ…中心孔、２１７…ナット、２１８…上蓋板、２３１…歯面、３１１…内周面、３２１…孔、３２１Ａ…内周部、３２２…孔、３２２Ａ…孔、３３１…歯面、４３１…外周面、Ｌａ…長軸、Ｌｂ…短軸、ａ…軸線、ａ１…軸線

Claims (8)

1. 第１部材と、
   前記第１部材に対して回動可能に設けられた第２部材と、
   前記第１部材および前記第２部材の一方側から他方側へ駆動力を伝達する歯車装置と、を備え、
   前記歯車装置は、
   前記駆動力の伝達経路の途中に設けられ、互いに噛み合う内歯および外歯と、
   前記内歯と前記外歯との間に配置されている潤滑剤と、を有し、
   前記外歯の構成材料の平均結晶粒径が前記内歯の構成材料の平均結晶粒径よりも小さいことを特徴とするロボット。
2. 前記内歯の構成材料の平均結晶粒径が２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内にある請求項１に記載のロボット。
3. 前記外歯の構成材料の平均結晶粒径が０．５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内にある請求項１または２に記載のロボット。
4. 前記内歯および前記外歯は、それぞれ、金属材料で構成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載のロボット。
5. 前記内歯は、鋳鉄および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか一方で構成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のロボット。
6. 前記外歯は、ニッケルクロムモリブデン鋼、マルエージング鋼および析出硬化型ステンレス鋼のうちのいずれか１つで構成されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のロボット。
7. 前記歯車装置は、
   前記内歯を有する内歯車と、
   前記内歯に部分的に噛み合う前記外歯を有する可撓性の外歯車と、
   前記外歯車を撓めて前記内歯車と前記外歯車との噛み合い位置を周方向に移動させる波動発生器と、を有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載のロボット。
8. 互いに噛み合う内歯および外歯と、
   前記内歯と前記外歯との間に配置されている潤滑剤と、を有し、
   前記外歯の構成材料の平均結晶粒径が前記内歯の構成材料の平均結晶粒径よりも小さいことを特徴とする歯車装置。

Images