JP2021134887A - 歯車装置およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】外歯歯車の内周面に近い位置に効率よく潤滑剤を供給可能な歯車装置、および、かかる歯車装置を備えるロボットを提供すること。【解決手段】内歯歯車と、前記内歯歯車に部分的に噛み合って回転し、可撓性を有する外歯歯車と、前記外歯歯車の内側に設けられ、前記内歯歯車と前記外歯歯車との噛み合い位置を前記回転軸まわりの周方向に移動させる波動発生器と、を有し、前記内歯歯車の主材料は、黒鉛粒子を含み、前記内歯歯車の内歯の歯面は、前記回転軸に沿う成分を有する第１方向に延在し、かつ、前記第１方向と交差する第２方向に並ぶ第１凸部および第２凸部を含む凸パターンを備え、前記黒鉛粒子の平均粒径をＤ［μｍ］とし、前記第２方向における前記第１凸部と前記第２凸部との離間距離をＳ［μｍ］としたとき、１０≦Ｄ≦４０、および、Ｓ−Ｄ≦２０を満たすことを特徴とする歯車装置。【選択図】図７

Description

本発明は、歯車装置およびロボットに関するものである。

少なくとも１つのアームを含む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駆動により回動させる。モーターの回転は、減速機により減速され、ロボットアームに伝達される。

このような減速機として、例えば、特許文献１に記載されているような波動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、円環状をした剛性内歯歯車と、この内側に配置されているカップ状の可撓性外歯歯車と、この外歯歯車の内側に嵌め込まれた楕円形輪郭を有する波動発生器と、により構成されており、内歯歯車を構成する材料として球状黒鉛鋳鉄を用いている。球状黒鉛鋳鉄は、黒鉛粒子を含んでおり、内歯歯車と外歯歯車との噛み合い位置に対し、黒鉛粒子による良好な潤滑性を与えることができる。これにより、波動歯車装置の長寿命化を図ることができる。

特開２００２−３０７２３７号公報

しかしながら、内歯歯車が黒鉛粒子を含んでいたとしても、内歯と外歯とが擦れ合う位置に露出する黒鉛粒子が少ないと、内歯歯車と外歯歯車との噛み合い位置に十分な潤滑性を与えることができない。この場合、波動歯車装置の長寿命化を図ることができないという課題がある。

本発明の適用例に係る歯車装置は、
内歯歯車と、
前記内歯歯車に部分的に噛み合って前記内歯歯車に対して回転軸まわりに相対的に回転し、可撓性を有する外歯歯車と、
前記外歯歯車の内側に設けられ、前記内歯歯車と前記外歯歯車との噛み合い位置を前記回転軸まわりの周方向に移動させる波動発生器と、
を有し、
前記内歯歯車の主材料は、黒鉛粒子を含み、
前記内歯歯車の内歯の歯面は、前記回転軸に沿う成分を有する第１方向に延在し、かつ、前記第１方向と交差する第２方向に並ぶ第１凸部および第２凸部を含む凸パターンを備え、
前記黒鉛粒子の平均粒径をＤ［μｍ］とし、前記第２方向における前記第１凸部と前記第２凸部との離間距離をＳ［μｍ］としたとき、１０≦Ｄ≦４０、および、Ｓ−Ｄ≦２０を満たすことを特徴とする。

実施形態に係るロボットの概略構成を示す側面図である。 第１実施形態に係る歯車装置を示す縦断面図である。 図２に示す歯車装置本体の正面図であって軸線ａ方向から見た図である。 図３に示す剛性歯車の単体を示す斜視図である。 図４の部分拡大図である。 図３に示す剛性歯車の内歯と可撓性歯車の外歯との噛み合い位置を部分的に拡大して示す断面図である。 図６の部分拡大図である。 従来の歯車装置において図７と同じ位置を示す図である。 Ｓ−Ｄと寿命との関係を示すグラフである。 図９のグラフに対する評価を示す表である。 Ｓ−Ｄとトルク伝達効率との関係を示すグラフである。 Ｓ−Ｄと起動トルクとの関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る歯車装置を示す縦断面図である。

以下、本発明の歯車装置およびロボット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、ロボットについて簡単に説明する。

図１は、実施形態に係るロボットの概略構成を示す側面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図１中の基台側を「基端側」、その反対側、すなわちエンドエフェクター側を「先端側」と言う。なお、本明細書における「方向」は、軸に沿う一方側の方向とその反対方向の双方を含む。

図１に示すロボット１００は、例えば、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業に用いられるロボットである。このロボット１００は、図１に示すように、基台１１０と、第１アーム１２０と、第２アーム１３０と、作業ヘッド１４０と、エンドエフェクター１５０と、配管１６０と、を有している。以下、ロボット１００の各部を順次簡単に説明する。

基台１１０は、例えば、図示しない床面にボルト等によって固定されている。基台１１０の内部には、ロボット１００を統括制御する制御装置１９０が設置されている。また、基台１１０には、基台１１０に対して鉛直方向に沿う第１軸Ｊ１まわりに回動可能に第１アーム１２０が連結している。すなわち、基台１１０に対して第１アーム１２０が相対的に回動している。

ここで、基台１１０内には、第１アーム１２０を回動させる駆動力を発生させるサーボモーター等の第１モーターであるモーター１７０（駆動源）と、モーター１７０の駆動力の回転を減速する第１減速機である歯車装置１０と、が設置されている。歯車装置１０の入力軸は、モーター１７０の回転軸に連結され、歯車装置１０の出力軸は、第１アーム１２０に連結されている。そのため、モーター１７０が駆動し、その駆動力が歯車装置１０を介して第１アーム１２０に伝達されると、第１アーム１２０が基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに水平面内で相対的に回動する。すなわち、モーター１７０は、歯車装置１０に向けて駆動力を出力する駆動源である。

第１アーム１２０の先端部には、第１アーム１２０に対して第２軸Ｊ２まわりに回動可能な第２アーム１３０が連結している。第２アーム１３０内には、図示しないが、第２アーム１３０を回動させる駆動力を発生させる第２モーターと、第２モーターの駆動力の回転を減速する第２減速機と、が設置されている。そして、第２モーターの駆動力が第２減速機を介して第２アーム１３０に伝達されることにより、第２アーム１３０が第１アーム１２０に対して第２軸Ｊ２まわりに水平面内で回動する。

第２アーム１３０の先端部には、作業ヘッド１４０が配置されている。作業ヘッド１４０は、第２アーム１３０の先端部に同軸的に配置された図示しないスプラインナットおよびボールネジナットに挿通されたスプラインシャフト１４１を有している。スプラインシャフト１４１は、第２アーム１３０に対して、図１に示す第３軸Ｊ３まわりに回転可能であり、かつ、上下方向に移動可能となっている。

第２アーム１３０内には、図示しないが、回転モーターおよび昇降モーターが配置されている。回転モーターの駆動力は、図示しない駆動力伝達機構によってスプラインナットに伝達され、スプラインナットが正逆回転すると、スプラインシャフト１４１が鉛直方向に沿う第３軸Ｊ３まわりに正逆回転する。

一方、昇降モーターの駆動力は、図示しない駆動力伝達機構によってボールネジナットに伝達され、ボールネジナットが正逆回転すると、スプラインシャフト１４１が上下に移動する。

スプラインシャフト１４１の先端部には、エンドエフェクター１５０が連結されている。エンドエフェクター１５０としては、特に限定されず、例えば、被搬送物を把持するもの、被加工物を加工するもの等が挙げられる。

第２アーム１３０内に配置された各電子部品、例えば第２モーター、回転モーター、昇降モーター等に接続される複数の配線は、第２アーム１３０と基台１１０とを連結する管状の配管１６０内を通って基台１１０内まで引き回されている。さらに、かかる複数の配線は、基台１１０内でまとめられることによって、モーター１７０および図示しないエンコーダーに接続される配線とともに、基台１１０内に設置された制御装置１９０まで引き回される。

以上のように、ロボット１００は、第１部材である基台１１０と、基台１１０に対して回動可能に設けられている第２部材である第１アーム１２０と、基台１１０および第１アーム１２０の一方側から他方側へ駆動力を伝達する歯車装置１０と、歯車装置１０に向けて駆動力を出力する駆動源であるモーター１７０と、を備える。

なお、第１アーム１２０および第２アーム１３０をまとめて「第２部材」と捉えてもよい。また、「第２部材」が、第１アーム１２０および第２アーム１３０に加え、さらに、作業ヘッド１４０およびエンドエフェクター１５０を含んでいてもよい。

また、本実施形態では、第１減速機が歯車装置１０で構成されているが、第２減速機が歯車装置１０で構成されていてもよく、また、第１減速機および第２減速機の双方が歯車装置１０で構成されていてもよい。第２減速機が歯車装置１０で構成されている場合、第１アーム１２０を「第１部材」と捉え、第２アーム１３０を「第２部材」と捉えればよい。

また、本実施形態では、モーター１７０および歯車装置１０は基台１１０に設けられているが、モーター１７０および歯車装置１０を第１アーム１２０に設けるようにしてもよい。この場合、歯車装置１０の出力軸を基台１１０に連結すればよい。

２．第１実施形態に係る歯車装置
次に、第１実施形態に係る歯車装置について説明する。

図２は、第１実施形態に係る歯車装置を示す縦断面図である。図３は、図２に示す歯車装置本体の正面図であって軸線ａ方向から見た図である。図４は、図３に示す剛性歯車の単体を示す斜視図である。図５は、図４の部分拡大図である。図６は、図３に示す剛性歯車の内歯と可撓性歯車の外歯との噛み合い位置を部分的に拡大して示す断面図である。図７は、図６の部分拡大図である。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、また、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に示す歯車装置１０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１０は、歯車装置本体１と、歯車装置本体１を収納しているケース５と、を有し、これらが一体化されている。ここで、歯車装置１０のケース５内には、潤滑剤Ｇが配置されている。以下、歯車装置１０の各部を説明する。なお、ケース５は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

２．１．歯車装置本体
歯車装置本体１は、内歯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。

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１１０（第１部材）にケース５を介して接続され、可撓性歯車３が前述したロボット１００の第１アーム１２０（第２部材）に接続され、波動発生器４が前述したロボット１００の基台１１０に配置されているモーター１７０の回転軸に接続されている。

モーター１７０の回転軸が回転すると、波動発生器４はモーター１７０の回転軸と同じ回転速度で回転する。そして、剛性歯車２および可撓性歯車３は、互いに歯数が異なるため、互いの噛み合い位置が周方向に移動しながら軸線ａまわりに相対的に回転する。本実施形態では剛性歯車２の歯数の方が可撓性歯車３の歯数より多いため、モーター１７０の回転軸の回転速度よりも低い回転速度で可撓性歯車３を回転させることができる。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、ケース５の形態によっては、可撓性歯車３を基台１１０に接続し、剛性歯車２を第１アーム１２０に接続しても、歯車装置１０を減速機として用いることができる。また、可撓性歯車３にモーター１７０の回転軸を接続しても、歯車装置１０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１１０に接続し、剛性歯車２を第１アーム１２０に接続すればよい。また、歯車装置１０を増速機として用いる場合、すなわちモーター１７０の回転軸の回転速度よりも高い回転速度で可撓性歯車３を回転させる場合、前述した入力側と出力側との関係を反対にすればよい。

図２および図３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歯車である。本実施形態では、剛性歯車２は平歯車である。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。なお、内歯２３の歯スジは、軸線ａに対して傾斜していてもよい。すなわち、剛性歯車２は、はすば歯車またはやまば歯車であってもよい。

図２および図３に示すように、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の一部に噛み合う外歯３３を有する外歯歯車である。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、軸線ａ方向での一端、すなわち図２中右側の端部が開口した開口部３６を有するカップ状をなし、その開口部３６から他端に向かって外歯３３が形成されている。ここで、可撓性歯車３は、軸線ａまわりの筒状をなす胴部３１と、胴部３１の軸線ａ方向での他端部に接続されている底部３２と、を有する。これにより、底部３２に比べ、外歯３３が設けられた開口部３６が径方向に撓み易くなるので、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。さらに、例えば出力軸となる軸６２が接続されている底部３２の剛性を高めることができる。このようなことから歯車装置１０は、バックラッシュが非常に小さく、反転を繰り返す用途に適していて、また同時噛み合い歯数の比率が大きく、１枚の歯にかかる力が小さくなるため、高トルク容量を得ることもできる。

図２および図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の開口部３６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ることにより、可撓性歯車３の外歯３３を剛性歯車２の内歯２３に噛み合わせる。ここで、可撓性歯車３および剛性歯車２は、同一の軸線ａまわりに回転可能なように、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、カム４１と、カム４１の外周に装着されている軸受４２と、を有している。カム４１は、軸線ａまわりに回転する軸部４１１と、軸部４１１の一端部から外側に突出しているカム部４１２と、を有している。

軸部４１１には、例えば入力軸となる軸６１が接続されている。カム部４１２の外周面は、軸線ａに沿った方向から見たときに、楕円形または長円形をなしている。軸受４２は、可撓性の内輪４２１および外輪４２３と、これらの間に配置されている複数のボール４２２と、を有している。ここで、内輪４２１は、カム４１のカム部４１２の外周面に嵌め込まれ、カム部４１２の外周面に沿って楕円形または長円形に弾性変形している。それに伴って、外輪４２３も楕円形または長円形に弾性変形している。また、内輪４２１の外周面および外輪４２３の内周面は、それぞれ、複数のボール４２２を周方向に沿って案内しつつ転動させる軌道面を有している。また、複数のボール４２２は、互いの周方向での間隔を一定に保つように図示しない保持器により保持されている。なお、軸受４２内には、図示しないグリースが配置されている。このグリースは、後述する潤滑剤Ｇと同じであっても異なっていてもよい。

このような波動発生器４は、カム４１の軸線ａまわりの回転に伴って、カム部４１２の向きが変わり、それに伴って、外輪４２３の外周面も変形し、剛性歯車２および可撓性歯車３の互いの噛み合い位置を周方向に移動させる。

また、剛性歯車２、可撓性歯車３および波動発生器４は、それぞれ、例えば、鋳鉄、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）、マルエージング鋼、析出硬化型ステンレス鋼等の鉄系材料等の金属材料で構成されている。

特に、外歯歯車である可撓性歯車３は、好ましくはニッケルクロムモリブデン鋼を主材料として構成されている。ニッケルクロムモリブデン鋼は、適切な熱処理によって強靭な鋼となり、疲労強度等の機械的特性が優れているため、繰返し応力が作用する可撓性歯車３の構成材料として適している。

ニッケルクロムモリブデン鋼としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４０５３：２０１６に規定されている種類の鋼材が挙げられる。具体的には、ＪＩＳ規格に規定されている記号として、ＳＮＣＭ２２０、ＳＮＣＭ２４０、ＳＮＣＭ４１５、ＳＮＣＭ４２０、ＳＮＣＭ４３１、ＳＮＣＭ４３９、ＳＮＣＭ４４７、ＳＮＣＭ６１６、ＳＮＣＭ６２５、ＳＮＣＭ６３０、ＳＮＣＭ８１５等の鋼材が挙げられる。このうち、可撓性歯車３の構成材料として用いるニッケルクロムモリブデン鋼としては、機械的特性に優れるという観点から、特にＳＮＣＭ４３９を用いることが好ましい。

なお、可撓性歯車３の構成材料は、ニッケルクロムモリブデン鋼以外の材料を含んでいてもよい。すなわち、可撓性歯車３は、ニッケルクロムモリブデン鋼とそれ以外の材料とが複合してなる複合材料で構成されていてもよい。ただし、ニッケルクロムモリブデン鋼の方がそれ以外の材料よりも全体に占める質量割合の方が多い構成、すなわち主材料であることが好ましい。

一方、内歯歯車である剛性歯車２は、好ましくは黒鉛粒子２１を含む材料で構成され、より好ましくは黒鉛粒子２１と基地組織２２とを含む球状黒鉛鋳鉄を主材料として構成されている。球状黒鉛鋳鉄は、ダクタイル鋳鉄とも呼ばれ、例えば図７に示すように、黒鉛粒子２１と、その周囲に存在する基地組織２２と、を含む鋳鉄である。本実施形態では、ＪＩＳ Ｇ ５５０５：２０１３の附属書Ｂに規定されている黒鉛粒子２１の丸み係数に基づく分類において、画像解析による黒鉛粒子２１の丸み係数が０．５６〜１．００の範囲内にある黒鉛鋳鉄を「球状黒鉛鋳鉄」とする。すなわち、画像上においてある一定程度以上の丸みを持つ黒鉛粒子２１を含む黒鉛鋳鉄が球状黒鉛鋳鉄である。なお、この画像解析とは、全自動または半自動で丸み係数を求める画像解析装置による解析のことをいう。また、画像解析の対象領域の面積は４ｍｍ^２以上とする。

このような球状黒鉛鋳鉄では、黒鉛粒子２１が球状をなしていることにより、黒鉛粒子２１が亀裂の起点になり難くなるため、例えば片状黒鉛鋳鉄に比べて基地組織２２の強度を最大限に発揮させることができる。その結果、球状黒鉛鋳鉄は、強度や靭性に優れたものとなる。このため、剛性歯車２の長寿命化を図ることができる。

また、球状黒鉛鋳鉄は、含まれる黒鉛粒子２１が潤滑剤の働きをするため、剛性歯車２の内歯２３が凝着しにくくなる。このため、剛性歯車２のさらなる低摩耗化を図ることができ、剛性歯車２の長寿命化を図ることができる。

加えて、球状黒鉛鋳鉄は、伝わってきた振動を黒鉛粒子２１と基地組織２２との境界において熱エネルギーに変換し、消失させることができる。このため、剛性歯車２に発生する振動や騒音を低減することができる。

さらに、球状黒鉛鋳鉄は、熱伝導率が高く、放熱性に優れる。このため、剛性歯車２の放熱性も高くなり、剛性歯車２が著しく高温になるのを抑制することができる。
以上のような効果により、歯車装置１０の長寿命化を図ることができる。

なお、歯車装置１０の寿命とは、例えば歯車装置１０の使用開始から、歯車装置１０のいずれかの部位に損傷が発生するまでの時間のことをいう。かかる損傷としては、例えば剛性歯車２または可撓性歯車３の破断が挙げられる。

また、黒鉛粒子２１の平均粒径をＤ［μｍ］とするとき、剛性歯車２は、１０≦Ｄ≦４０を満たし、好ましくは１２≦Ｄ≦３０を満たす。このような剛性歯車２は、比較的大きな黒鉛粒子２１を含むものとなる。このため、黒鉛粒子２１による上述した効果が十分に発揮され、歯車装置１０の長寿命化に寄与する剛性歯車２を実現することができる。

なお、黒鉛粒子２１の粒径は、次のようにして求められる。まず、剛性歯車２の断面に鏡面研磨を施す。次に、研磨面を顕微鏡で観察し、１．３ｍｍ×１．８ｍｍの範囲を撮影する。得られた画像に対し、画像処理を施して、黒鉛粒子２１の像の面積を算出する。各像を真円とみなし、得られた面積から黒鉛粒子２１の直径を算出する。このようにして求めた直径を、黒鉛粒子２１の粒径とする。また、平均粒径Ｄは、画像に写っている黒鉛粒子２１の粒径の小さい方から数を計数したときの累計個数が全体の５０％になるときの粒径のことをいう。

球状黒鉛鋳鉄としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ ５５０２：２００１に規定されている種類の材料が挙げられる。具体的には、ＪＩＳ規格に規定されている記号として、ＦＣＤ３５０−２２、ＦＣＤ３５０−２２Ｌ、ＦＣＤ４００−１８、ＦＣＤ４００−１８Ｌ、ＦＣＤ４００−１５、ＦＣＤ４００−１０、ＦＣＤ４５０−１０、ＦＣＤ５００−７、ＦＣＤ６００−３、ＦＣＤ７００−２、ＦＣＤ８００−２、ＦＣＤ９００等が挙げられる。

また、球状黒鉛鋳鉄には、必要に応じて、焼入れ・焼戻し処理またはオーステンパー処理が施されていてもよい。これにより、球状黒鉛鋳鉄の機械的強度を高めることができ、歯車装置１０のさらなる長寿命化を図ることができる。

また、球状黒鉛鋳鉄の合金組成としては、例えば、Ｆｅ（鉄）を主成分とし、Ｃ（炭素）：２．０質量％以上６．０質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）：０．５質量％以上３．５質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：０．４質量％以上１．０質量％以下で含む組成が挙げられる。さらに、球状黒鉛鋳鉄には、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｓｎ（スズ）、Ｍｇ（マグネシウム）等が含まれていてもよい。

なお、黒鉛粒子２１の粒径は、剛性歯車２の製造条件によって制御することができる。例えば、剛性歯車２を鋳造する際の凝固速度を小さくすることにより、黒鉛粒子２１の粒径を大きくすることができる。一方、凝固速度を大きくすることにより、これとは反対の制御が可能になる。

また、球状黒鉛鋳鉄に添加する炭素量を増やしたり、鋳造後に熱処理をした場合に冷却速度を遅くしたり、鋳型の材料に金型ではなく砂型を用いたりすることで、黒鉛粒子２１の粒径を大きくすることができる。一方、炭素量を減らしたり、冷却速度を速くしたり、金型を用いたりすることで、これとは反対の制御が可能になる。

図７に示すように、剛性歯車２の主材料は、黒鉛粒子２１の他に基地組織２２を含んでいてもよい。

基地組織２２は、剛性歯車２の主材料のうち、黒鉛粒子２１以外の部分のことをいう。この基地組織２２は、いかなる組織であってもよいが、例えば、パーライト組織、または、パーライト組織とフェライト組織との混合組織、を含む。

このうち、パーライト組織とは、フェライト組織と層状をなすセメンタイト組織とが交互に並ぶ混合組織のことをいい、セメンタイト組織には鉄炭化物が多く含まれる。また、層状とは、結晶組織の長径／短径で規定されるアスペクト比が、例えば５以上である状態をいう。一方、フェライト組織は、α固溶体とも呼ばれる組織である。基地組織２２にこのようなパーライト組織が含まれることにより、球状黒鉛鋳鉄の疲労強度を特に高めることができる。

なお、パーライト組織は、それ単独で存在していてもよく、フェライト組織と併存していてもよい。パーライト組織とフェライト組織との併存組織は、パーライト組織において主に硬度が高められ、フェライト組織において主に靭性が高められるため、高強度と粘り強さとを両立させることができる。

また、基地組織２２には、上記組織の他に、マルテンサイト組織、オーステナイト組織、ソルバイト組織、ベイナイト組織等が含まれていてもよい。その場合も、基地組織２２全体において、パーライト組織およびフェライト組織の合計が占める面積割合は、６０％以上であるのが好ましく、９０％以上であるのがより好ましい。これにより、上記の効果がより確実に発揮される。

２．２．ケース
図２に示すケース５は、軸受１３を介して軸６１を支持している略板状の蓋体１１と、軸受１４を介して軸６２を支持しているカップ状の本体１２と、を有する。ここで、蓋体１１と本体１２とは連結されて空間を構成しており、その空間には、前述した歯車装置本体１が収納されている。また、蓋体１１および本体１２の少なくとも一方には、前述した歯車装置本体１の剛性歯車２が例えばネジ止め等により固定されている。

蓋体１１の内壁面１１１は、可撓性歯車３の開口部３６を覆うように軸線ａに垂直な方向に拡がる形状をなしている。また、本体１２の内壁面１２１は、可撓性歯車３の外周面および底面に沿った形状をなしている。このようなケース５は、前述したロボット１００の基台１１０に固定されている。ここで、蓋体１１は、基台１１０と別体であって、例えばネジ止め等により基台１１０に固定されていてもよいし、基台１１０と一体であってもよい。また、蓋体１１と本体１２とを備えるケース５の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、金属材料、セラミックス材料等が挙げられる。

２．３．潤滑剤
潤滑剤Ｇは、例えばグリース、すなわち半固体状潤滑剤であり、噛み合い部である剛性歯車２と可撓性歯車３との間、および、接触部・摺動部である可撓性歯車３と波動発生器４との間、のうちの少なくとも一方に配置されている。以下、これら噛み合い部や接触部・摺動部のことを「潤滑対象部」という。このような潤滑対象部に潤滑剤Ｇを供給することにより、当該潤滑対象部の摩擦を低減することができる。

潤滑剤Ｇは、例えば、基油と、増ちょう剤と、有機モリブデン化合物と、を含む。
基油としては、例えば、パラフィン系、ナフテン系等の鉱油、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、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ラメート、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。このように、基油および増ちょう剤を組成として含んでいる潤滑剤Ｇは、増ちょう剤が形成する３次元構造体が複雑に絡み合って基油を保持しており、その保持した基油を少しずつしみ出させることで潤滑作用を発揮する。

２．４．剛性歯車の凸パターン
剛性歯車２は、図４に示すように、多数の内歯２３を有するリング状の歯車である。この内歯２３は、図５に示すように、歯面２３１と、歯面２３１に連続する歯底２３２および歯先２３３と、を有している。このうち、少なくとも歯面２３１は、図６および図７に示すように、可撓性歯車３の外歯３３の歯面３３１と接触し、擦れ合う。これにより、剛性歯車２と可撓性歯車３との間でトルクが伝達される。

内歯２３の歯面２３１は、図５ないし図７に示すように、軸方向Ａ（第１方向）に沿って延在する複数の凸部７１を有している。各凸部７１は、互いにほぼ平行に延在しており、かつ、歯面２３１内において、径方向Ｒの成分を有する方向（第２方向）に並んでいる。このような複数の凸部７１により、図５に示す凸パターン７が構成されている。

なお、凸部７１同士は、完全に平行でなくてもよい。また、凸部７１同士が一部で交差していたり、分岐していたりする部分を有していてもよい。さらに、凸部７１が延在する第１方向は、軸方向Ａの方向成分を有する方向であればよい。したがって、凸部７１が延在する第１方向は、図５に示すような軸方向Ａに平行な方向に限定されず、軸方向Ａに対して傾いた方向であってもよい。さらに、複数の凸部７１が並ぶ第２方向は、凸部７１の延在方向に交差する方向であれば、特に限定されない。また、凸部７１は、途中で曲がったり、途切れたりする部分を有していてもよい。

凸部７１とは、その周囲よりも突出した部分のことをいう。図５では、軸方向Ａに沿って線状に延びる凸部７１を直線で示している。このような凸部７１は、凸条とも呼ばれる。複数の凸部７１は、所定の間隔で並んでいる。図７では、複数の凸部７１のうち、隣り合う２つを第１凸部７１１および第２凸部７１２とする。

本実施形態では、凸部７１が並ぶ方向（第２方向）における第１凸部７１１と第２凸部７１２との離間距離をＳ［μｍ］とする。ここで、離間距離Ｓは、第１凸部７１１の先端部と第２凸部７１２の先端部との距離である。また、前述したように、剛性歯車２の主材料は、黒鉛粒子２１を含む材料であり、その平均粒径をＤ［μｍ］とする。このとき、剛性歯車２は、前述した１０≦Ｄ≦４０に加え、Ｓ−Ｄ≦２０を満たす。

このような構成によれば、図７に示すように、剛性歯車２の内歯２３の歯面２３１に、黒鉛粒子２１が露出する確率が高くなる。また、離間距離Ｓと平均粒径Ｄとの差が前述した上限値以下であることにより、黒鉛粒子２１の粒径に比べて、凸パターン７における凸部７１の幅は相対的に狭くなる。そうすると、凸部７１のうち、特に頂部に露出する黒鉛粒子２１の比率も大きくなる。凸部７１の頂部は、可撓性歯車３の外歯３３の歯面３３１と擦れ合う確率が最も高い部位であることから、そこに黒鉛粒子２１が露出することによって、内歯２３と外歯３３との間の潤滑性を高めることができる。その結果、歯車装置１０の長寿命化を図ることができる。

図８は、従来の歯車装置において図７と同じ位置を示す図である。なお、説明の便宜のため、図８では、図７と同じ符号を付している。

図８に示す歯車装置は、Ｓ−Ｄ＞２０を満たしている。具体的には、図８における離間距離Ｓは、図７に示す離間距離Ｓに比べて長くなっている。このため、図８に示す歯面２３１の単位面積に設けられる凸部７１の数は、図７に示す歯面２３１よりも少なくなる。これにより、凸部７１の頂部に露出する黒鉛粒子２１の比率も小さくなる。その結果、図８に示す凸部７１の頂部では、図７に示す凸部７１に比べて、可撓性歯車３の外歯３３の歯面３３１との摩擦が大きくなる。

以上のように、歯車装置１０は、内歯歯車である剛性歯車２と、外歯歯車である可撓性歯車３と、波動発生器４と、を有する。可撓性歯車３は、可撓性を有し、剛性歯車２に部分的に噛み合って剛性歯車２に対して回転軸（軸線ａ）まわりに相対的に回転する。波動発生器４は、可撓性歯車３の内側に設けられ、剛性歯車２と可撓性歯車３との噛み合い位置を回転軸まわりの周方向Ｃに移動させる。

また、剛性歯車２の主材料は、黒鉛粒子２１を含む材料である。さらに、剛性歯車２の内歯２３の歯面２３１は、第１凸部７１１および第２凸部７１２を含む凸パターン７を備える。第１凸部７１１および第２凸部７１２は、軸方向Ａ（軸線ａに沿う成分を有する第１方向）に延在し、かつ、軸方向Ａと交差する方向（第１方向と交差する第２方向）に並んでいる。そして、剛性歯車２は、１０≦Ｄ≦４０、および、Ｓ−Ｄ≦２０を満たす。

このような構成によれば、剛性歯車２の内歯２３の歯面２３１のうち、可撓性歯車３の外歯３３と擦れ合う位置に、黒鉛粒子２１を高い確率で露出させることができる。これにより、黒鉛粒子２１と外歯３３とが接触する確率が高くなり、黒鉛粒子２１が徐々に削れることに伴って、内歯２３と外歯３３との間の潤滑性を高めることができる。その結果、歯車装置１０の長寿命化を図ることができる。

また、凸部７１同士の間は、凹部となるため、そこには潤滑剤Ｇが溜まりやすくなる。これにより、潤滑剤Ｇの流れ出しが抑制され、潤滑剤Ｇによっても潤滑性を高めることができる。

なお、歯面２３１では、その少なくとも一部が、１０≦Ｄ≦４０およびＳ−Ｄ≦２０を満たしていればよいが、歯面２３１の全面積のうち、３０％以上の領域において満たしているのが好ましく、５０％以上の領域において満たしているのがより好ましく、６５％以上の領域において満たしているのがさらに好ましい。これにより、上記の効果がより確実に得られる。

また、離間距離Ｓは、第２方向における、第１凸部７１１の頂部と第２凸部７１２の頂部との距離を、第１方向の一部において測定することで求められる。または、第２方向における、第１凸部７１１の頂部と第２凸部７１２の頂部との距離を、第１方向の全長にわたって分布し、かつ、等間隔に並ぶ１０点以上で測定し、その測定値の平均値として求められる。

ここで、図９は、Ｓ−Ｄと寿命との関係を示すグラフである。なお、図９の横軸はＳ−Ｄであり、縦軸は歯車装置１０の寿命である。また、図１０は、図９のグラフに対する評価を示す表である。なお、図１０では、図９に示す寿命を４階級に分けて評価している。評価の階級は、Ａ〜Ｄの記号で表しており、Ａ評価が最も良好な評価に相当し、Ｄ評価が最も不良な評価に相当する。

図９に示すように、Ｓ−Ｄが２０μｍ超の範囲では、Ｓ−Ｄを小さくすると、歯車装置１０の寿命は長くなる傾向がある。一方、図９では、Ｓ−Ｄを２０μｍ以下にすることで、歯車装置１０の寿命が、それまでの傾向の外挿よりも急激に長くなることが示されている。したがって、Ｓ−Ｄという要素は、歯車装置１０の長寿命化を図るという観点で、特に意義がある。

また、剛性歯車２は、Ｓ−Ｄ≦１０を満たすことが好ましい。図９では、Ｓ−Ｄを１０μｍ以下にすることで、歯車装置１０の寿命が急激に長くなることが示されている。これにより、歯車装置１０のさらなる長寿命化を図ることができる。

さらに、剛性歯車２は、Ｓ−Ｄ≦−１０を満たすことが好ましい。図９では、Ｓ−Ｄを−１０μｍ以下にすることで、歯車装置１０の寿命が急激に長くなることが示されている。これにより、歯車装置１０のさらなる長寿命化を図ることができる。

なお、Ｓ−Ｄの下限値は、特に設定されなくてもよいが、−３０μｍであるのが好ましく、−２０μｍであるのがより好ましい。これにより、黒鉛粒子２１の粒径が大きすぎることによる不具合、例えば、剛性歯車２の機械的強度が低下するのを抑制することができる。

図１０には、図９に示すグラフに基づいた評価を示している。
Ｓ−Ｄが２０μｍ超の範囲では、図１０に示すように、寿命の評価がＤ評価である。この範囲では、歯車装置１０の寿命が短い傾向がある。
Ｓ−Ｄが１０μｍ超２０μｍ以下の範囲では、図１０に示すように、寿命の評価がＣ評価である。この範囲では、歯車装置１０が最低限の寿命を有している。
Ｓ−Ｄが−１０μｍ超１０μｍ以下の範囲では、図１０に示すように、寿命の評価がＢ評価である。この範囲では、黒鉛粒子２１に対する凸部７１の相対的な数が多くなるため、凸部７１の頂部により高い確率で黒鉛粒子２１を露出させることができる。
Ｓ−Ｄが−１０μｍ以下の範囲では、図１０に示すように、寿命の評価がＡである。この範囲では、歯車装置１０の寿命が特に長くなる。

なお、歯車装置１０の寿命は、例えば、次のようにして求められる。
まず、歯車装置１０の入力軸に回転数３０００ｒｐｍ、平均負荷トルク５０Ｎｍ、ピークトルク６０Ｎｍでトルクを入力し、連続運転を行う。そして、歯車装置１０が破損するまでの入力軸の回転数を、歯車装置１０の寿命とする。

図１１は、Ｓ−Ｄとトルク伝達効率との関係を示すグラフである。図１２は、Ｓ−Ｄと起動トルクとの関係を示すグラフである。図１１の横軸および図１２の横軸は、それぞれＳ−Ｄであり、図１１の縦軸および図１２の縦軸は、それぞれ歯車装置１０の寿命である。

図１１に示すように、Ｓ−Ｄが２０μｍ超の範囲では、トルク伝達効率が６５％以下と低いが、Ｓ−Ｄが２０μｍ以下の範囲では、十分に高いトルク伝達効率が得られている。特に、Ｓ−Ｄが１０μｍ以下の範囲では、６９％以上という良好なトルク伝達効率が得られる。

図１２に示すように、Ｓ−Ｄが２０μｍ超の範囲では、起動トルクが０．０３Ｎｍ以上と高いが、Ｓ−Ｄが２０μｍ以下の範囲では、起動トルクが十分に低くて済む。

なお、トルク伝達効率は、歯車装置１０の入力軸に回転数２０００ｒｐｍで入力したトルクに対する、出力軸から出力されたトルクの割合である。また、起動トルクは、停止している入力軸が１°動くのに要したトルクである。

このような凸パターン７は、いかなる方法で形成されたものであってもよい。凸パターン７の形成方法としては、例えば、切削、研削のような機械加工、ローレット加工のような転造加工、サンドブラスト、ショットブラストのような研磨加工、鋳造のような成型加工等が挙げられる。このうち、機械加工によれば、精度の高い凸パターン７を形成することができる。

また、凸部７１の突出高さｈは、特に限定されないが、０．０１μｍ以上３０μｍ以下であるのが好ましく、０．１０μｍ以上１０μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、内歯２３と外歯３３との接触面積を最適化することができる。その結果、剛性歯車２と可撓性歯車３との間の潤滑性を高めつつ、凸部７１に著しい欠損等の変形が生じるのを抑制して、トルク伝達特性の大きな変化が生じるのを抑制することができる。なお、凸部７１の突出高さｈとは、図７に示すように、凸部７１の頂部と底部との距離のことをいう。

一方、内歯２３と噛み合う外歯３３の歯面３３１は、特に限定されず、図７に示すような平坦面であってもよいし、複数の凸部を含む凸パターン、複数の凹部を含む凹パターン、または複数の凸部と凹部の双方を含む凹凸パターンを有していてもよい。

また、本実施形態に係るロボット１００は、第１部材である基台１１０と、基台１１０に対して回動する第２部材である第１アーム１２０と、基台１１０に対して第１アーム１２０を相対的に回動させる駆動力を伝達する歯車装置１０と、歯車装置１０に向けて駆動力を出力する駆動源であるモーター１７０と、を有している。

このような構成によれば、歯車装置１０において長寿命化が図られるため、メンテナンスの手間がかからず、取り扱い性が良好なロボット１００を実現することができる。

３．第２実施形態に係る歯車装置
次に、第２実施形態に係る歯車装置について説明する。
図１３は、第２実施形態に係る歯車装置を示す縦断面図である。

本実施形態は、外歯歯車の構成およびそれに伴うケースの構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。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。また、図１３において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

図１３に示す歯車装置１０Ｂは、歯車装置本体１Ｂと、歯車装置本体１Ｂを収納しているケース５Ｂと、を有する。なお、ケース５Ｂは、省略してもよい。

歯車装置１０Ｂは、剛性歯車２の内側に配置されているハット型、すなわち縁つき帽子型の外歯歯車である可撓性歯車３Ｂを有している。この可撓性歯車３Ｂは、筒状の胴部３１の一端部に接続され軸線ａとは反対側に突出しているフランジ部３２Ｂを有する。フランジ部３２Ｂには、図示しない出力軸が取り付けられている。そして、可撓性歯車３Ｂの構成材料等は、第１実施形態に係る可撓性歯車３と同様である。

ケース５Ｂは、軸受１３を介して、例えば入力軸となる軸６１を支持している略板状の蓋体１１Ｂと、前述した可撓性歯車３Ｂのフランジ部３２Ｂに取り付けられているクロスローラーベアリング１８と、を有する。

蓋体１１Ｂは、剛性歯車２の一方、すなわち図１３中右側の側面に対して例えばネジ止め等により固定されている。クロスローラーベアリング１８は、内輪１５と、外輪１６と、これらの間に配置されている複数のコロ１７と、を有する。内輪１５は、可撓性歯車３の胴部３１の外周に沿って設けられ、剛性歯車２の他方、すなわち図１３中左側の側面に対して例えばネジ止め等により固定されている。外輪１６は、前述した可撓性歯車３Ｂのフランジ部３２Ｂに例えばネジ止め等により固定されている。

また、蓋体１１Ｂの内壁面１１１Ｂは、可撓性歯車３Ｂの開口部３６を覆うように軸線ａに垂直な方向に拡がる形状をなしている。また、クロスローラーベアリング１８の内輪１５の内壁面１５１は、可撓性歯車３Ｂの胴部３１の外周面に沿った形状をなしている。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

以上、本発明の歯車装置およびロボットを、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、前記実施形態の各部の構成は、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、前記実施形態に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

また、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。なお、ｎは１以上の整数である。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、水平多関節ロボットについて説明したが、本発明のロボットは、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、垂直多関節ロボットにも適用可能である。

また、前述した実施形態では、歯車装置をロボットに組み込む場合を例に説明したが、本発明の歯車装置は、互いに回動する第１部材および第２部材の一方側から他方側へ駆動力を伝達する構成を有する各種機器に組み込んで用いることもできる。

１…歯車装置本体、１Ｂ…歯車装置本体、２…剛性歯車、３…可撓性歯車、３Ｂ…可撓性歯車、４…波動発生器、５…ケース、５Ｂ…ケース、７…凸パターン、１０…歯車装置、１０Ｂ…歯車装置、１１…蓋体、１１Ｂ…蓋体、１２…本体、１３…軸受、１４…軸受、１５…内輪、１６…外輪、１７…コロ、１８…クロスローラーベアリング、２１…黒鉛粒子、２２…基地組織、２３…内歯、３１…胴部、３２…底部、３２Ｂ…フランジ部、３３…外歯、３６…開口部、４１…カム、４２…軸受、６１…軸、６２…軸、７１…凸部、１００…ロボット、１１０…基台、１１１…内壁面、１１１Ｂ…内壁面、１２０…第１アーム、１２１…内壁面、１３０…第２アーム、１４０…作業ヘッド、１４１…スプラインシャフト、１５０…エンドエフェクター、１５１…内壁面、１６０…配管、１７０…モーター、１９０…制御装置、２３１…歯面、２３２…歯底、２３３…歯先、３３１…歯面、４１１…軸部、４１２…カム部、４２１…内輪、４２２…ボール、４２３…外輪、７１１…第１凸部、７１２…第２凸部、Ａ…軸方向、Ｃ…周方向、Ｄ…平均粒径、Ｇ…潤滑剤、Ｊ１…第１軸、Ｊ２…第２軸、Ｊ３…第３軸、Ｌａ…長軸、Ｌｂ…短軸、Ｒ…径方向、Ｓ…離間距離、ａ…軸線、ｈ…突出高さ

Claims (5)

1. 内歯歯車と、
   前記内歯歯車に部分的に噛み合って前記内歯歯車に対して回転軸まわりに相対的に回転し、可撓性を有する外歯歯車と、
   前記外歯歯車の内側に設けられ、前記内歯歯車と前記外歯歯車との噛み合い位置を前記回転軸まわりの周方向に移動させる波動発生器と、
   を有し、
   前記内歯歯車の主材料は、黒鉛粒子を含み、
   前記内歯歯車の内歯の歯面は、前記回転軸に沿う成分を有する第１方向に延在し、かつ、前記第１方向と交差する第２方向に並ぶ第１凸部および第２凸部を含む凸パターンを備え、
   前記黒鉛粒子の平均粒径をＤ［μｍ］とし、前記第２方向における前記第１凸部と前記第２凸部との離間距離をＳ［μｍ］としたとき、１０≦Ｄ≦４０、および、Ｓ−Ｄ≦２０を満たすことを特徴とする歯車装置。
2. 前記内歯歯車は、Ｓ−Ｄ≦１０を満たす請求項１に記載の歯車装置。
3. 前記内歯歯車は、Ｓ−Ｄ≦−１０を満たす請求項２に記載の歯車装置。
4. 前記外歯歯車の主材料は、ニッケルクロムモリブデン鋼である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の歯車装置。
5. 第１部材と、
   前記第１部材に対して回動する第２部材と、
   前記第２部材を前記第１部材に対して相対的に回動させる駆動力を伝達する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の歯車装置と、
   前記歯車装置に向けて前記駆動力を出力する駆動源と、
   を備えることを特徴とするロボット。

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