JP2018112200A - ギヤボックスとその軽量化方法およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】グリスの充填量の低減および軽量化を図るとともに、内圧の極端な上昇を抑える。
【解決手段】モータにより回転させられる複数のギヤ１３，７１，７２，７３，７４と、各ギヤを回転可能に収容する密閉された内部空間を有するハウジング６と、ハウジングの内部空間内に配置され、内部空間の一部を占有するスペーサ９とを備え、スペーサが、グリスより密度が低く、内部空間の内圧に応じて体積を変えるように弾性変形可能であるギヤボックス３を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ギヤボックスとその軽量化方法およびロボットに関するものである。

従来、ギヤボックス内のギヤ等が存在しない空間に、該空間を埋めるためのスペーサを配置して、ギヤボックス内へのグリスの充填量の低減および軽量化を図るギヤードモータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−２２４１４９号公報

しかしながら、ギヤボックス内のギヤが回転駆動されると、ギヤの歯面どうしの摩擦によってギヤが発熱し、ギヤボックス内の圧力が増大する不都合がある。このように圧力が過大になると、ギヤボックス内にグリスを封入しているシール部材のシール能力限界を超えてしまい、グリスが漏出するという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、グリスの充填量の低減および軽量化を図るとともに、内圧の極端な上昇を抑えることができるギヤボックスとその軽量化方法およびロボットを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の一態様は、モータにより回転させられる複数のギヤと、各該ギヤを回転可能に収容する密閉された内部空間を有するハウジングと、該ハウジングの前記内部空間内に配置され、該内部空間の一部を占有するスペーサとを備え、該スペーサが、グリスより密度が低く、前記内部空間の内圧に応じて体積を変えるように弾性変形可能であるギヤボックスを提供する。

本態様によれば、複数のギヤを回転可能に支持するハウジングの内部空間に、スペーサを配置することにより、スペーサによって占有された内部空間にギヤを潤滑するためのグリスが侵入することを防止することができる。すなわち、内部空間の一部がスペーサによって占有されるので、ギヤを十分に潤滑し得るグリス量を大幅に低減することができる。また、内部空間の一部がグリスより低密度のスペーサにより占有されるので、ギヤを十分に潤滑し得るグリスを内部空間に封入しても、グリスとスペーサとの密度差分だけ軽量化を図ることができる。

この場合において、内部空間の内圧に応じて体積を変えるように弾性変形可能なスペーサを採用することにより、内部空間の内圧が高くなるとスペーサが収縮して、内部空間の過度の圧力上昇を抑制することができる。すなわち、ギヤの回転によって歯面どうしの摩擦が発生し、ギヤボックスが発熱することによって内部空間の内圧が上昇しても、スペーサの収縮によって過度の圧力上昇が抑えられるので、ギヤボックスを封入しているシール部材からグリスが漏出したり、シール部材が破損したりすることを防止できる。

上記態様においては、前記スペーサは、各気孔が独立している多孔質の弾性材料からなっていてもよい。
このようにすることで、スペーサ内への気孔を介したグリスの侵入を防止することができ、グリスをギヤの潤滑のために有効に利用することができる。内部空間の内圧が上昇したときには、各気孔の容積を収縮させることでスペーサが収縮させられ、過度の圧力上昇を抑えることができる。

また、上記態様においては、前記スペーサが、多孔質の弾性材料の表面に、気孔を閉塞する処理を施すことにより構成されていてもよい。
このようにすることで、表面に施された処理により、スペーサ内への気孔を介したグリスの侵入を防止することができ、グリスをギヤの潤滑のために有効に利用することができる。また、スペーサの素材として連続気孔あるいは独立気孔のいずれの形式の多孔質材料も使用することができ、連続気孔の多孔質材料を使用することで、スペーサの柔軟性を向上することができる。

また、上記態様においては、前記気孔を閉塞する処理が、表面を被覆するコーティングであってもよい。
このようにすることで、スペーサの表面の気孔をコーティングによって簡易に閉塞することができる。

また、上記態様においては、前記スペーサが、弾性材料からなる密閉された袋体であってもよい。
このようにすることで、袋体の内部が空気のみであり、より効果的に軽量化を図ることができるとともに、内部空間の内圧が上昇したときには、袋体内部の容積を収縮させて過度の圧力上昇を抑えることができる。

また、上記態様においては、前記ハウジングが、前記スペーサを収縮させた状態で収容する収容空間を備え、前記スペーサが弾性復元力により前記収容空間内に動かないように保持されてもよい。
このようにすることで、スペーサを収縮させるように外力を加えて弾性変形させた状態でハウジングの収容空間内に配置し、外力を解放することで弾性復元力により膨張させることにより、ネジ等の特別な固定手段を使用することなく、スペーサをハウジング内に固定することができる。この場合に、内圧の上昇による収縮を考慮して余分に収縮させた状態でハウジング内に固定しておくことにより、過度の内圧上昇を抑制しながら、スペーサをハウジングに動かないように保持することができる。

また、本発明の他の態様は、モータにより回転させられる複数のギヤを回転可能に収容するハウジングの密閉された内部空間に、グリスより密度が低く、前記内部空間の内圧に応じて体積を変更するように弾性変形可能なスペーサを配置するギヤボックスの軽量化方法を提供する。
また、本発明の他の態様は、前記モータと、該モータの回転を減速する上記のギヤボックスとを備えるロボットを提供する。

本発明によれば、グリスの充填量の低減および軽量化を図るとともに、内圧の極端な上昇を抑えることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るロボットに備えられる回転軸モジュールを示す正面図である。 図１の回転軸モジュールに備えられるギヤボックスのＡ−Ａ横断面図である。 図１の回転軸モジュールに備えられるギヤボックスの縦断面図である。 図２のギヤボックスに備えられるスペーサの一例を示す斜視図である。 図４のスペーサを他の方向から見た斜視図である。 図１のギヤボックスのハウジング内へのスペーサの組み付けを説明する分解縦断面図である。 図６のギヤボックスのハウジング内へのスペーサの組み付け後、ギヤボックスにモータを取り付けた状態を示す縦断面図である。

本発明の一実施形態に係るギヤボックス３およびロボット１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１は、図１に示されるように、モータ２と、該モータ２のシャフトの回転を減速して出力軸５の回転として出力する本実施形態に係るギヤボックス３とからなる１以上の回転軸モジュール４を備えている。図中、符号Ａは後述するハウジング本体１０の中心軸、符号Ｂはモータ２の中心軸を示している。

例えば、第１の回転軸モジュール４のギヤボックス３の後述するハウジング６を図示しないベース部材に固定し、後述する出力軸５を図示しない第１リンク部材に固定し、さらに、第２の回転軸モジュール４のギヤボックス３のハウジング６を第１リンク部材の先端に固定し、出力軸５を図示しない第２リンク部材に固定するなどして、複数の回転軸モジュール４を接続することにより、多関節のロボットを構成することができる。

本実施形態に係るギヤボックス３は、図２および図３に示されるように、減速機であって、モータ２を固定するハウジング６と、該ハウジング６に回転可能に支持された出力軸５と、ハウジング６の内部空間内に収容され、モータ２の駆動力を減速して出力軸５に伝達する後述する複数のギヤ１３，７１，７２，７３，７４と、ギヤ１３，７１，７２，７３，７４により占有されていない内部空間の一部に配置されるスペーサ９とを備えている。

ハウジング６は、円筒状のハウジング本体１０と、該ハウジング本体１０の一端を閉塞する円板状の端板１１とを備えている。ハウジング本体１０の他端は、円板状の出力軸５によって閉塞されている。出力軸５は、ベアリング８によって、ハウジング本体１０の中心軸Ａ回りに回転可能に支持されている。端板１１には、図２に示されるように、モータ２のシャフトに取り付けたピニオンギヤ（ギヤ）１３を貫通させる貫通孔１２（図６および図７参照。）が設けられ、ピニオンギヤ１３をハウジング６の内部空間に挿入した状態でモータ２を取り付けることができるようになっている。

出力軸５および端板１１には、中央孔５ａ，１１ａが設けられている。出力軸５の中央孔５ａと端板１１の中央孔１１ａとの間に掛け渡されるように円筒状のダクト部材１４が配置されている。ダクト部材１４は出力軸５に固定されるとともに、ベアリング１５によって端板１１に回転可能に支持されている。ダクト部材１４によって、ギヤボックス３における出力軸５の回転中心近傍が中空に構成され、ケーブル等の線条体を配線するために使用することができるようになっている。

出力軸５には、円環状の内歯車１６が固定されている。図中、符号１７は、出力軸５とハウジング本体１０との間、および端板１１とダクト部材１４との間の相対回転を許容しながら内部空間を密封するシール部材である。

ハウジング本体１０の一端を端板１１、他端を出力軸５によって閉塞するとともに、出力軸５および端板１１の中央孔５ａ，１１ａに円筒状のダクト部材１４を取り付けることによって、ドーナツ状の密閉された内部空間がハウジング６内に形成されるようになっている。
ハウジング本体１０の内面および端板１１の内部空間側にはそれぞれ後述するリブ１８が設けられている。

図２および図３に示す例では、ギヤボックス３は、モータ２のシャフトに取り付けられるピニオンギヤ１３と、ハウジング６内に回転可能に支持された４つのギヤ７１，７２，７３，７４とを備え、各ギヤ７１，７２，７３，７４は、同軸に固定された大歯車７ａと小歯車７ｂとを備えている。モータ２のシャフトに取り付けられたピニオンギヤ１３に第１ギヤ（ギヤ）７１の大歯車７ａを噛み合わせ、第１ギヤ７１の小歯車７ｂに第２ギヤ（ギヤ）７２の大歯車７ａを噛み合わせ、第２ギヤ７２の小歯車７ｂに第３ギヤ（ギヤ）７３の大歯車７ａを噛み合わせ、第３ギヤ７３の小歯車７ｂに第４ギヤ（ギヤ）７４の大歯車７ａを噛み合わせ、第４ギヤ７４の小歯車７ｂを出力軸５に固定された内歯車１６に噛み合わせている。これにより、モータ２のシャフトの回転を減速して出力軸５に伝達するようになっている。

これらの図２および図３に示す例では、ハウジング６の内部空間は、ピニオンギヤ１３から第４ギヤ７４までの５つのギヤ１３，７１，７２，７３，７４によって、周方向の半分以上が占有され、残りの内部空間の一部がスペーサ９によって占有されている。図中、符号１９は、第４ギヤ７４の回転軸を支持するための支柱である。

本実施形態においては、スペーサ９は、図４および図５に示されるように、ハウジング６の内部空間の一部を埋めるように収容される内部空間と略相補的な２段の円弧状の形状を有している。大きな外径寸法の第１円弧状部分９１は、ハウジング６の内面に密着させられる外形を有し、小さな外径寸法の第２円弧状部分９２は、出力軸５の内歯車１６の径方向内方に隙間を空けて配置される外径寸法を有している。また、スペーサ９には、出力軸５の中央孔５ａに固定される円筒状のダクト部材１４の外径寸法より大きな内径寸法の円筒内面９ａが設けられている。

スペーサ９は、例えば、独立気孔のスポンジのような多孔質材料（例えば、樹脂）により構成されており、グリスよりも低い密度を有するとともに、外部から加えられる圧力等の外力によって体積を拡大あるいは収縮するように弾性変形させられるようになっている。

また、本実施形態において、スペーサ９は、ハウジング６の内面に突出するリブ１８の間に圧縮された状態で収容されて圧縮力を解放されることにより、第１円弧状部分９１を弾性復元力によって膨張させて、リブ１８の間に挟ませることにより、ハウジング６内において動かないように固定されるようになっている。ハウジング６に固定された際にスペーサ９に与えられている弾性変形は、圧力の上昇によってスペーサ９の収縮量より大きく設定されている。内圧の上昇でスペーサ９が収縮することで、スペーサ９のハウジング６への固定が甘くなることを回避するためである。
ハウジング６内面のリブ１８は、第１円弧状部分９１を厚さ方向に挟む位置と、第１円弧状部分９１の周方向の２つの端面を周方向に突き当てる位置とに設けられている。

このように構成された本実施形態に係るギヤボックス３とその軽量化方法およびロボット１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るギヤボックス３によれば、モータ２の回転が複数のギヤ７１，７２，７３，７４を介して減速された後に出力軸５に伝達され出力軸５が回転させられる。ギヤ７１，７２，７３，７４はハウジング６の内部空間に封入されたグリスにより潤滑されるが、ハウジング６の内部空間の一部がスペーサ９によって占有されるので、グリスの封入量を低減しても十分な潤滑を行うことができる。また、スペーサ９を独立気孔のスポンジにより構成しているので、スペーサ９内へグリスが浸透することがなく、十分な量のグリスをギヤ７１，７２，７３，７４の占有空間に保持することができる。

本実施形態に係るギヤボックス３の軽量化方法は、モータ２により回転させられる複数のギヤ７１，７２，７３，７４を回転可能に収容するハウジング６の密閉された内部空間に、グリスより密度が低く、内部空間の内圧に応じて体積を変更するように弾性変形可能なスペーサ９を配置するものである。本実施形態に係るギヤボックス３とその軽量化方法によれば、グリスを内部空間全体に封入する場合と比較して、グリスをスペーサ９に置き換えているので、密度差に応じた分だけ軽量化を図ることができる。

さらに、本実施形態に係るギヤボックス３によれば、スペーサ９が内部空間の内圧によって体積を変更するように弾性変形可能に構成されているので、回転軸モジュール４が駆動させられてギヤ７１，７２，７３，７４の歯面の摩擦による発熱により内圧が上昇すると、スペーサ９が収縮させられる。その結果、内部空間の内圧の過度の上昇を抑制することができるという利点がある。これにより、過度の内圧上昇によってシール部材１７からグリスが漏れ出す不都合の発生を防止することができるという利点がある。

また、スペーサ９を弾性変形可能なスポンジ（弾性材料）により構成したので、図６および図７に示されるように、ハウジング６の内部空間（収容空間）に収容する際には、リブ１８を乗り越えられるように弾性変形により収縮させて導入し、内部空間に配置された後には、弾性復元力によって膨張させることにより、リブ１８によって挟まれる位置に配置するだけで、スペーサ９は、ハウジング６内に周方向、径方向および軸方向のいずれにも動かないように維持される。その結果、スペーサ９をハウジング６に固定するためのネジ等の固定手段が不要となり、ハウジング６を簡易に構成することができ、組み付け作業を容易にすることができる。

また、本実施形態に係るギヤボックス３によれば、減速比を変更する場合には、ギヤ７１，７２，７３，７４を増減させることによるギヤ７１，７２，７３，７４の占有空間の変化に応じて、異なる形状のスペーサ９を採用することにより、簡易に対応することができる。
また、本実施形態に係るロボット１によれば、複数の回転軸モジュール４に備えられている各ギヤボックス３において軽量化を図ることができ、ロボット１全体を軽量化することができる。特に、スポンジからなるスペーサ９は簡易かつ安価に製造することができ、複数の回転軸モジュール４に適用することで、コストの大幅な削減を図ることができる。

また、各回転軸モジュール４のギヤボックス３におけるグリスの漏洩やシール部材１７の破損を防止できて、ロボット１の頻繁なメインテナンスを不要とすることができるという利点もある。

なお、本実施形態においては、スペーサ９を独立気孔のスポンジのような多孔質により構成したが、これに代えて、連続気孔のスポンジを採用するとともに、表面の気孔を閉塞するコーティングのような処理を施すことにより構成してもよい。これによっても、軽量化、グリスの封入量の低減および内圧の極端な上昇を抑制する効果を図ることができるとともに、連続気孔内の空気の移動を容易にして、弾性変形し易くすることができるという利点がある。

また、本実施形態においては、スペーサ９をスポンジにより構成したが、これに代えて、内部に空気室を有し、内部空間の内圧により弾性変形可能な、図４および図５と同様の形状を有する袋体（弾性材料）により構成してもよい。
また、スペーサ９の全体を弾性変形可能に構成することに代えて、スペーサ９の一部に、内圧により弾性変形可能な領域を設けてもよい。

また、スペーサ９としては、スペーサ９の内部に空気室を有し、空気室内の空気圧力を常時監視し、制御する装置を備え、ギヤボックス内圧が上昇し過ぎないように、スペーサ９の内部圧力を能動的に制御する、いわゆるアクティブダンパーのようなスペーサ９を採用してもよい。

１ ロボット
２ モータ
３ ギヤボックス
６ ハウジング
９ スペーサ（袋体）
１３ ピニオンギヤ（ギヤ）
７１ 第１ギヤ（ギヤ）
７２ 第２ギヤ（ギヤ）
７３ 第３ギヤ（ギヤ）
７４ 第４ギヤ（ギヤ）

Claims (8)

1. モータにより回転させられる複数のギヤと、
   各該ギヤを回転可能に収容する密閉された内部空間を有するハウジングと、
   該ハウジングの前記内部空間内に配置され、該内部空間の一部を占有するスペーサとを備え、
   該スペーサが、グリスより密度が低く、前記内部空間の内圧に応じて体積を変えるように弾性変形可能であるギヤボックス。
2. 前記スペーサは、各気孔が独立している多孔質の弾性材料からなる請求項１に記載のギヤボックス。
3. 前記スペーサが、多孔質の弾性材料の表面に、気孔を閉塞する処理を施してなる請求項１に記載のギヤボックス。
4. 前記気孔を閉塞する処理が、表面を被覆するコーティングである請求項３に記載のギヤボックス。
5. 前記スペーサが、弾性材料からなる密閉された袋体である請求項１に記載のギヤボックス。
6. 前記ハウジングが、前記スペーサを収縮させた状態で収容する収容空間を備え、前記スペーサが弾性復元力により前記収容空間内に動かないように保持される請求項１から請求項５のいずれかに記載のギヤボックス。
7. モータにより回転させられる複数のギヤを回転可能に収容するハウジングの密閉された内部空間に、グリスより密度が低く、前記内部空間の内圧に応じて体積を変更するように弾性変形可能なスペーサを配置するギヤボックスの軽量化方法。
8. 前記モータと、該モータの回転を減速する請求項１から請求項６のいずれかに記載のギヤボックスとを備えるロボット。

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