JP2021185320A - 歯車装置およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命化と出力位相のずれの抑制とが図られた歯車装置、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、前記外歯歯車の内周面に接触し、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、前記外歯歯車は、前記波動発生器が接触している第１端部と、前記第１端部とは前記回転軸に沿って隣り合う第２端部と、を有する円筒部を備え、前記第１端部の内周面は、研磨面を含み、前記第２端部の内周面は、旋盤切削加工面を含むことを特徴とする歯車装置。【選択図】図５

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。

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。モーターの回転は、一般に、減速機を介して減速され、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に記載された歯車装置が知られている。

特許文献１に記載の歯車装置は、環状の剛性内歯歯車と、その内側に配置されたカップ形の可撓性外歯歯車と、その内側にはめ込まれた楕円形の波動発生器と、を有している。このうち、可撓性外歯歯車は、円筒状の胴部と、胴部の一端を封鎖している環状のダイヤフラムと、胴部の他方の開口端の外周面に形成された外歯と、を備えている。そして、外歯の表面に対してショットピーニング加工を施した後、窒化処理を施し、可撓性外歯歯車の外歯以外の外表面に対しては、ショットピーニング加工を施すことなく、窒化処理を施すことが開示されている。このように、外歯表面の強度向上を図ったり、胴部の脆弱化を回避したりすることは、歯車装置の長寿命化につながる。

特開２００１−５９１５３号公報

一方、本発明者の検討により、可撓性歯車装置の外表面だけでなく、可撓性歯車装置の内表面の状態が歯車装置の寿命に影響を及ぼすことがわかってきた。しかしながら、引用文献１に記載の歯車装置では、可撓性外歯歯車の内表面に加工や処理は施されていないため、十分な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、
前記外歯歯車の内周面に接触し、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、
前記外歯歯車は、前記波動発生器が接触している第１端部と、前記第１端部とは前記回転軸に沿って隣り合う第２端部と、を有する円筒部を備え、
前記第１端部の内周面は、研磨面を含み、
前記第２端部の内周面は、旋盤切削加工面を含むことを特徴とする。

本発明の適用例に係るロボットは、
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１部材に対して前記第２部材を相対的に回動させる駆動力を伝達する請求項１ないし６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。

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３の外歯歯車のみを詳細に示す図である。 第２実施形態に係る歯車装置が備える外歯歯車の内周面を示す断面図である。 第３実施形態に係る歯車装置が備える外歯歯車の内周面を示す断面図である。 第４実施形態に係る歯車装置が備える外歯歯車の内周面を示す断面図である。 第５実施形態に係る歯車装置の縦断面図である。 実施例および比較例１の歯車装置に入力されたトルクと、歯車装置の寿命と、の関係を示すグラフである。 実施例および比較例２の歯車装置に入力されたトルクと、入力の位相と出力の位相とのずれと、の関係を示すグラフである。

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。また、図１の上下方向を「鉛直方向」とし、左右方向を「水平方向」とする。さらに、後述する回転軸ａが延在する方向を「軸方向」とする。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。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。

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。

基台１１０内には、第１駆動部１７０が設置されている。この第１駆動部１７０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１７１（駆動源）と、モーター１７１の回転を減速する第１減速機である歯車装置１と、を有する。歯車装置１の入力軸は、モーター１７１の回転軸に連結され、歯車装置１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１７１が駆動し、その駆動力が歯車装置１を介して第１アーム１２０に伝達されると、第１アーム１２０が第１軸Ｊ１まわりに水平面内で回動する。

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モーターの回転を減速する第２減速機と、を有する第２駆動部が設置されている。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１７１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１と、歯車装置１に向けて駆動力を出力する駆動源であるモーター１７１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１で構成されているが、第２減速機が歯車装置１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１で構成されていてもよい。第２減速機が歯車装置１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１７１および歯車装置１は基台１１０に設けられているが、モーター１７１および歯車装置１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１の出力軸を基台１１０に連結すればよい。

２．歯車装置
２．１．第１実施形態
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。また、図２では、図示の便宜上、外歯歯車３の一部、具体的にはフランジ部３２を省略している。

図２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、内歯歯車２と、内歯歯車２の内側に設けられている外歯歯車３と、外歯歯車３の内側に設けられ、ベアリング４２を備える波動発生器４と、を有している。また、図示しないが、歯車装置１の各部、具体的には、内歯歯車２と外歯歯車３との噛み合い部、外歯歯車３と波動発生器４との嵌め合い部等には、グリース等の潤滑剤が適宜配置されている。

内歯歯車２、外歯歯車３および波動発生器４のうちの一つが前述したロボット１００の基台１１０に対して接続され、他の一つが前述したロボット１００の第１アーム１２０に対して接続される。本実施形態では、内歯歯車２が基台１１０に対して固定され、外歯歯車３が第１アーム１２０に対して接続され、波動発生器４がモーター１７１の回転軸に接続される。

そのため、モーター１７１の回転軸が回転すると、波動発生器４は、モーター１７１の回転軸と同じ回転速度で回転する。そして、内歯歯車２および外歯歯車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、これらの歯数差に起因して回転軸ａまわりに相対的に回転する。本実施形態では、内歯歯車２の歯数の方が外歯歯車３の歯数より多いため、モーター１７１の回転軸の回転速度よりも低い回転速度で外歯歯車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、外歯歯車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、内歯歯車２、外歯歯車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、外歯歯車３を基台１１０に対して固定し、内歯歯車２を第１アーム１２０に対して接続しても、歯車装置１を減速機として用いることができる。また、外歯歯車３をモーター１７１の回転軸に接続しても、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１１０に対して固定し、内歯歯車２を第１アーム１２０に対して接続すればよい。また、歯車装置１を増速機として用いる場合、すなわち、モーター１７１の回転軸の回転速度よりも高い回転速度で外歯歯車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。

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、内歯歯車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歯車である。本実施形態では、内歯歯車２は、平歯車である。したがって、内歯２３は、回転軸ａに対して平行な歯すじを有する。なお、内歯２３の歯すじは、回転軸ａに対して傾斜していてもよい。すなわち、内歯歯車２は、はすば歯車またはやまば歯車であってもよい。

外歯歯車３は、内歯歯車２の内側に挿通されている。この外歯歯車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、内歯歯車２の内歯２３に噛み合う外歯３３を有する外歯歯車である。また、外歯歯車３の歯数は、内歯歯車２の歯数よりも少ない。このように外歯歯車３および内歯歯車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、外歯歯車３は、図３の軸方向左端に開口３５を有するハット状、つまり縁つき帽子型をなし、その外周面に設けられた外歯３３を有している。ここで、外歯歯車３は、回転軸ａまわりの円筒状をなす胴部３１（円筒部）を有する。この胴部３１は、開口３５側の部位である第１端部３１ａと、開口３５とは反対側の部位である第２端部３１ｂと、に分けられる。また、外歯歯車３は、この胴部３１に加え、第２端部３１ｂに接続されたフランジ部３２を有する。

なお、回転軸ａの軸方向における胴部３１の長さと、胴部３１の外径と、の比は、図示した比に限定されず、例えば図示した比よりも胴部３１の長さが短くなっていてもよい。

外歯歯車３のフランジ部３２には、例えばネジ等の固定具により、図示しない出力軸が固定される。これにより、出力軸と外歯歯車３とが接続される。なお、出力軸と外歯歯車３との接続方法は、これに限定されない。

図３および図４に示すように、波動発生器４は、外歯歯車３の内側に配置され、回転軸ａまわりに回転可能である。そして、波動発生器４は、図４に示すように、外歯歯車３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、外歯３３を内歯歯車２の内歯２３に噛み合わせる。外歯歯車３および内歯歯車２は、互いに同一の回転軸ａまわりに回転可能になっており、互いに内外で噛み合わされている。

外歯歯車３の胴部３１は、前述したように、第１端部３１ａおよび第２端部３１ｂを有する。第１端部３１ａは、図３に示す開口３５側の端部であって、外歯３３が設けられている部分である。また、第２端部３１ｂは、胴部３１のうち、フランジ部３２側に位置する端部である。このうち、第１端部３１ａは、コーニングによる大きな変形が生じる部分である。コーニングとは、図４に示す長軸Ｌａの位置で胴部３１が回転軸ａに対して外側に開き、短軸Ｌｂの位置で胴部３１が回転軸ａに対して内側に狭まるような３次元的な変形を意味する。第１端部３１ａは、外歯歯車３に波動発生器４が嵌め合わされたとき、第２端部３１ｂよりも大きく変形する。

波動発生器４は、外歯歯車３の第１端部３１ａに嵌め込まれている。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ベアリング４２と、を有している。カム４１は、回転軸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。カム部４１２の外周面は、回転軸ａに沿った方向から見たときに、図３および図４中の上下方向を長軸Ｌａとする楕円形または長円形をなしている。ベアリング４２は、カム４１に嵌め込まれており、可撓性を有する内輪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。

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。外輪４２３の外周面は、図３に示すように、胴部３１の内周面３０に当接している。また、複数のボール４２２は、内輪４２１の周方向における互い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。

このような波動発生器４は、カム４１が回転軸ａまわりに回転することに伴って、カム部４１２の向きを変え、それに伴って、外輪４２３を変形させる。これにより、内歯歯車２および外歯歯車３の互いの噛み合い位置を周方向に移動させる。このとき、内輪４２１は、カム部４１２の外周面に対して固定的に設置されているため、変形状態は変わらない。

図５は、図３の外歯歯車３のみを詳細に示す図である。
図５に示す外歯歯車３の胴部３１は、前述したように、第１端部３１ａおよび第２端部３１ｂを有している。胴部３１は、前述したように円筒状をなしており、内周面３０を有している。

内周面３０の第１端部３１ａに対応する部分は、研磨面３０１を含んでいる。研磨面３０１とは、研磨加工を施した加工面のことをいう。図５に示す内周面３０の第１端部３１ａに対応する部分は、一例として、その全体が研磨面３０１であり、平坦面になっている。ただし、研磨面３０１は、平坦面である必要はなく、後述するように、任意の加工痕等が含まれている面であってもよい。また、内周面３０の第１端部３１ａに対応する部分は、研磨面３０１以外の面を含んでいてもよい。

研磨加工とは、胴部３１の内周面３０に研磨剤や研磨ツールを接触させ、物理的研磨または化学的研磨を施す加工である。研磨面３０１は、加工面よりも表面粗さが小さいため、その観点において加工面との区別が可能である。なお、研磨面３０１の下地、つまり、研磨加工を施す前の表面は、特に限定されず、任意の加工面であってもよい。

一方、内周面３０の第２端部３１ｂに対応する部分は、旋盤切削加工面３０２を含んでいる。旋盤切削加工面３０２とは、旋盤による切削加工を施した加工面のことをいう。図５に示す内周面３０の第２端部３１ｂに対応する部分は、一例として、その全体に、加工痕である第１円周溝３６が分布している。

旋盤による切削加工とは、外歯歯車３を回転軸ａまわりに回転させ、工具によって内周面３０を切削する加工のことをいう。加工面には、切削加工痕が残るため、加工面と研磨面３０１との区別が可能である。

内周面３０の第２端部３１ｂに対応する部分は、旋盤切削加工面３０２を含んでいるため、加工による残留応力が研磨面３０１よりも大きい。このため、旋盤切削加工面３０２は、第２端部３１ｂの剛性を高めるように寄与する。これにより、第２端部３１ｂでは、回転軸ａまわりにねじられるときの耐変形性を高めることができる。仮に、第２端部３１ｂが変形しやすいと、歯車装置１の入力に対して出力の位相が遅れやすくなる。したがって、第２端部３１ｂの耐変形性を高めることにより、歯車装置１における出力位相のずれを抑制することができ、応答性に優れた歯車装置１を実現することができる。

なお、図５に示す内周面３０の第２端部３１ｂに対応する部分では、その全体が旋盤切削加工面３０２になっているが、旋盤切削加工面３０２以外の面を含んでいてもよい。

一方、研磨面３０１では、加工による残留応力が旋盤切削加工面３０２よりも小さい。これは、研磨加工によって残留応力が緩和されているためである。そして、研磨加工によって表面粗さが小さくなっていることも影響し、研磨面３０１では、コーニングに伴う疲労破壊を相対的に小さく抑えることができる。これにより、外歯歯車３の寿命を延ばすことができる。

以上のように、本実施形態に係る歯車装置１は、内歯歯車２と、外歯歯車３と、波動発生器４と、を有する。このうち、外歯歯車３は、内歯歯車２に部分的に噛み合って内歯歯車２に対して回転軸ａまわりに相対的に回転し、可撓性を有する。また、波動発生器４は、外歯歯車３の胴部３１の内周面３０に接触し、内歯歯車２と外歯歯車３との噛み合い位置を回転軸ａまわりの周方向に移動させる。

外歯歯車３は、内周面３０に波動発生器４が接触している第１端部３１ａと、第１端部３１ａとは回転軸ａに沿って隣り合う第２端部３１ｂと、を有する胴部３１（円筒部）を備えている。そして、第１端部３１ａの内周面３０は、研磨面３０１を含み、第２端部３１ｂの内周面３０は、旋盤切削加工面３０２を含む。

このような構成によれば、波動発生器４が接触する研磨面３０１を含む第１端部３１ａにおいて、疲労破壊が小さく抑えられる。このため、外歯歯車３の長寿命化が図られる。また、第２端部３１ｂでは、旋盤切削加工面３０２により、耐変形性が高められる。このため、歯車装置１における出力位相のずれを抑制することができる。したがって、研磨面３０１および旋盤切削加工面３０２を含む内周面３０を備えた外歯歯車３は、長寿命化と、出力位相のずれの抑制と、を両立する歯車装置１を実現することができる。

また、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１と、歯車装置１に向けて駆動力を出力する駆動源であるモーター１７１と、を備えている。

このような構成によれば、歯車装置１の長寿命化および応答性の向上が図られているため、メンテナンスの手間が抑えられ、かつ、駆動能力が高いロボット１００を実現することができる。

また、外歯歯車３は、前述したように、第１端部３１ａに設けられている外歯３３を備えている。この外歯３３は、図５に示すように、回転軸ａと平行な歯すじを有している。さらに、回転軸ａの軸方向における研磨面３０１の長さ、具体的には、図５に示す研磨面３０１の長さＬ１は、軸方向における外歯３３の長さＬ２より長くなるように設定されている。

このように外歯３３の長さＬ２よりも研磨面３０１の長さＬ１を長くすることにより、外歯３３を十分に覆うように研磨面３０１が配置されることになる。外歯３３は、例えば歯底の位置において疲労破壊が発生しやすいが、その裏面側に研磨面３０１が設定されていることにより、疲労破壊の発生確率を下げることができる。これにより、歯車装置１のさらなる長寿命化を図ることができる。

なお、上記効果を得るためには、研磨面３０１の長さＬ１が、外歯３３の長さＬ２より長ければよいが、Ｌ１／Ｌ２の比が１．０１以上１．５０以下であるのが好ましく、１．０５以上１．３０以下であるのがより好ましい。これにより、旋盤切削加工面３０２が狭くなるのを防止しつつ、外歯歯車３の疲労破壊の発生確率をより下げることができる。

旋盤切削加工面３０２は、前述したように、切削加工痕を含んでいる。この切削加工痕は、旋盤によって回転する外歯歯車３に対し、工具が接触することによって形成される。このため、切削加工痕は、回転軸ａまわりの周方向に延在する溝となる。図５に示す旋盤切削加工面３０２は、回転軸ａまわりの周方向に延在する第１円周溝３６を有している。そして、この第１円周溝３６は、螺旋状になっている。

このような構成によれば、切削加工痕である第１円周溝３６が、周方向にムラなく形成されることになる。このため、第１円周溝３６に伴う残留応力も周方向にムラなく分布することになるため、周方向に均等に剛性を高めることができる。その結果、第２端部３１ｂの耐変形性を特に高めることができ、歯車装置１における出力位相のずれを特に小さく抑えることができる。

図５に示す第１円周溝３６は、前述したように、周方向に延在し、かつ、螺旋状になっている。この第１円周溝３６の横断面形状としては、図５に示すような三角形の他、四角形、五角形のような多角形、一部が曲線になった形状、その他の異形状等が挙げられる。

第１円周溝３６が螺旋状になっている場合、図５に示す断面図では、隣り合う第１円周溝３６同士が、図５の紙面奥側または手前側において互いにつながっていることになる。ただし、第１円周溝３６が螺旋状であることは必須ではなく、第１円周溝３６は、例えば、閉じた環状をなす溝であって、互いに独立した複数の溝の集合体であってもよい。

また、図５において隣り合う第１円周溝３６同士は、図５に示すように互いに接していてもよいし、互いに離れていてもよい。なお、第１円周溝３６同士が互いに離れている場合でも、旋盤切削加工面３０２において第１円周溝３６が占める面積は、第１円周溝３６同士の間隙が占める面積よりも大きいことが好ましい。

図５に示す第１円周溝３６の深さｄ１は、特に限定されないが、一例として、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、第１円周溝３６を設けたことに伴う機械的強度の低下を抑制しつつ、第２端部３１ｂの耐変形性を高めることができる。その結果、歯車装置１の許容トルクの低下を抑制しつつ、応答性を高めることができる。

なお、第１円周溝３６の深さｄ１は、旋盤切削加工面３０２の全体で均一であってもよいし、部分的に異なっていてもよい。

また、胴部３１の厚さｔは、特に限定されないが、一例として、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であるのが好ましく、０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるのがより好ましい。これにより、第１円周溝３６を設けた場合でも、第２端部３１ｂの機械的強度と耐変形性とを両立させることができ、かつ、第１端部３１ａの易変形性を確保することができる。その結果、歯車装置１のさらなる長寿命化および応答性の向上を図ることができる。

２．２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る歯車装置について説明する。
図６は、第２実施形態に係る歯車装置が備える外歯歯車の内周面を示す断面図である。

以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図６において、第１、第２実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

前述した第１実施形態では、図５に示すように、研磨面３０１が平坦面になっている。これに対し、本実施形態では、図６に示すように、研磨面３０１が、回転軸ａまわりの周方向に延在する第２円周溝３７を有している。

この第２円周溝３７は、もともと円周溝を含んでいた面に対し、研磨加工を施した後、残存してなる溝である。つまり、研磨加工を経ても消失せずに残された円周溝である。したがって、例えば、内周面３０全体に円周溝を加工した後、第１端部３１ａに対応する部分にのみ研磨加工を施した場合、内周面３０の第２端部３１ｂに対応する部分には当初の円周溝がそのまま第１円周溝３６として残る。一方、内周面３０の第１端部３１ａに対応する部分では当初の円周溝に研磨加工が施され、円周溝の一部が残存して第２円周溝３７となる。したがって、このような方法で形成された第２円周溝３７の深さは、第１円周溝３６の深さよりも浅くなる。ただし、図６では、図示の便宜上、第１円周溝３６の深さと第２円周溝３７の深さとに有意差をつけていない。

このようにして第２円周溝３７が残存した研磨面３０１であっても、研磨加工を経たことによる残留応力の減少の効果を享受することができる。このため、研磨面３０１に第２円周溝３７が含まれていても、第１端部３１ａにおいて疲労破壊が生じる確率を下げることができる。その結果、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。

また、第２円周溝３７には、潤滑剤が留まりやすいため、潤滑剤を保持する作用を持つ。したがって、第２円周溝３７を含む研磨面３０１には、潤滑剤が保持されやすくなり、研磨面３０１と波動発生器４との間の潤滑性を高めることができる。その結果、外歯歯車３と波動発生器４との間で焼き付きが発生するのを防止することができる。

図６に示す第２円周溝３７の深さｄ２は、特に限定されないが、一例として、第１円周溝３６の深さｄ１の９５％以下であるのが好ましく、１％以上６０％以下であるのがより好ましい。これにより、第２円周溝３７の深さｄ２を最適化することができ、外歯歯車３の疲労破壊の確率を大きく上昇させることなく、潤滑剤の保持性を高めることができる。

また、図６に示す第２円周溝３７は、回転軸ａまわりの周方向に延在し、例えば螺旋状になっている。第２円周溝３７の横断面形状としては、図６に示すような三角形の他、四角形、五角形のような多角形、一部が曲線になった形状、その他の異形状等が挙げられる。

隣り合う第２円周溝３７同士は、図６に示すように互いに離れている。そのとき、研磨面３０１において第２円周溝３７が占める面積は、第２円周溝３７同士の間隙が占める面積よりも小さいことが好ましい。

２．３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る歯車装置について説明する。
図７は、第３実施形態に係る歯車装置が備える外歯歯車の内周面を示す断面図である。

以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図７において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

図７に示す旋盤切削加工面３０２は、第１円周溝３６Ａを含んでいる。
前述した第１実施形態では、第１円周溝３６の深さが旋盤切削加工面３０２の全体で均一になっている。これに対し、本実施形態では、第１円周溝３６Ａの深さが部分的に異なっている。

図７に示す内周面３０の第２端部３１ｂに対応する部分には、その全体に第１円周溝３６Ａが分布している。そして、第１円周溝３６Ａの深さは、旋盤切削加工面３０２のうち、研磨面３０１に近い領域、つまり図７の領域３８１よりも、研磨面３０１から離れている領域、つまり図７の領域３８２において深くなっている。

このようなパターンで第１円周溝３６Ａの深さを部分的に異ならせることにより、領域３８２では、領域３８１よりも大きな残留応力が生じる。このため、胴部３１の第２端部３１ｂでは、フランジ部３２に近い部分の耐変形性をより高めることができる。その結果、歯車装置１の応答性をより高めることができる。一方、領域３８１では領域３８２よりもコーニングに伴う変形量は大きいものの、残留応力も小さくなるため、疲労破壊の発生確率を下げることができる。

なお、第１円周溝３６Ａの最小深さは、第１円周溝３６Ａの最大深さの１％以上９０％以下であるのが好ましく、５％以上７０％以下であるのがより好ましい。この範囲内であれば、第１円周溝３６Ａの本来の作用を損なうことなく、上記の付加的な作用を発現させることができる。

また、第１円周溝３６Ａの深さは、急激に変化していてもよいが、徐々に変化しているのが好ましい。例えば、図７に示すように、領域３８１と領域３８２の間に位置する領域３８３では、第１円周溝３６Ａの深さが、領域３８１における第１円周溝３６Ａの深さと、領域３８２における第１円周溝３６Ａの深さと、の間であるのが好ましい。これにより、上記効果がより顕著になる。
以上のような第３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。

２．４．第４実施形態
次に、第４実施形態に係る歯車装置について説明する。
図８は、第４実施形態に係る歯車装置が備える外歯歯車の内周面を示す断面図である。

以下、第４実施形態について説明するが、以下の説明では、第３実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図８において、第３実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

前述した第３実施形態では、図７に示すように、第１円周溝３６Ａの深さが、旋盤切削加工面３０２のうち、研磨面３０１に近い領域３８１よりも、研磨面３０１から離れている領域３８２において深くなっている。

これに対し、本実施形態では、図８に示すように、第１円周溝３６Ｂの深さが、旋盤切削加工面３０２のうち、研磨面３０１に近い領域、つまり図８の領域３８１よりも、研磨面３０１から離れている領域、つまり図８の領域３８２において浅くなっている。

このようなパターンで第１円周溝３６Ｂの深さを部分的に異ならせることにより、領域３８１では、領域３８２よりも潤滑剤の保持性が高くなる。すなわち、領域３８１では、領域３８２よりも第１円周溝３６Ｂの深さが深いため、潤滑剤の流動性が抑えられ、より多くの潤滑剤を保持しやすくなる。このため、領域３８１に保持した潤滑剤を、外歯歯車３と波動発生器４との接触点に向けて、長期間供給し続けることができる。これにより、歯車装置１のさらなる長寿命化を図ることができる。

なお、第１円周溝３６Ｂの最小深さは、第１円周溝３６Ｂの最大深さの１％以上９０％以下であるのが好ましく、５％以上７０％以下であるのがより好ましい。この範囲内であれば、第１円周溝３６Ｂの本来の作用を損なうことなく、上記の付加的な作用を発現させることができる。

また、第１円周溝３６Ｂの深さは、急激に変化していてもよいが、徐々に変化しているのが好ましい。例えば、図８に示すように、領域３８１と領域３８２の間に位置する領域３８３では、第１円周溝３６Ｂの深さが、領域３８１における第１円周溝３６Ｂの深さと、領域３８２における第１円周溝３６Ｂの深さと、の間であるのが好ましい。これにより、上記効果がより顕著になる。
以上のような第４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。

２．５．第５実施形態
次に、第５実施形態に係る歯車装置について説明する。
図９は、第５実施形態に係る歯車装置の縦断面図である。

以下、第５実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図９において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

本実施形態は、外歯歯車３Ａの形状が異なる以外、前述した第１実施形態と同様である。

図９に示す外歯歯車３Ａは、図９の軸方向左側に開口３５を有するカップ状をなし、その外周面に設けられた外歯３３を有している。また、図９に示す外歯歯車３Ａは、胴部３１と、胴部３１の第２端部３１ｂに接続された底部３２Ａと、を有する。

なお、回転軸ａの軸方向における胴部３１の長さと、胴部３１の外径と、の比は、図示した比に限定されず、例えば図示した比よりも胴部３１の長さが短くなっていてもよい。

図９に示すように、外歯歯車３Ａの底部３２Ａには、回転軸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、出力軸を挿通することができる。また、孔３２２は、出力軸を底部３２Ａに固定するためのネジ等を挿通するネジ孔として用いられる。なお、これらの孔３２１、３２２は、適宜設けられればよく、省略されていてもよい。また、出力軸と外歯歯車３Ａとの接続方法は、これに限定されない。

以上のような外歯歯車３Ａの胴部３１も、前述した第１実施形態に係る外歯歯車３の胴部３１と同様の構成を有している。したがって、本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。

さらに、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部材から第２部材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。

次に、本発明の具体的実施例について説明する。
３．歯車装置の作製
３．１．実施例
まず、図２に示す構造を有し、以下の条件を満たす歯車装置を作製した。

・内歯歯車の外径 ：６０ｍｍ
・外歯歯車の外径 ：４３ｍｍ
・減速比 ：５０
・第１端部の内周面：研磨面
・第２端部の内周面：旋盤切削加工面

３．２．比較例１
以下の条件が異なる以外、実施例と同様にして歯車装置を作製した。
・第１端部の内周面：旋盤切削加工面
・第２端部の内周面：旋盤切削加工面

３．３．比較例２
以下の条件が異なる以外、実施例と同様にして歯車装置を作製した。
・第１端部の内周面：研磨面
・第２端部の内周面：研磨面

４．歯車装置の評価
４．１．寿命
次に、実施例および比較例１の歯車装置にトルクを入力し、歯車装置の寿命を求めた。寿命の具体的な計測方法は、以下のとおりである。

まず、歯車装置の入力軸に回転数３０００ｒｐｍ、平均負荷トルク５０Ｎｍ、ピークトルク６０Ｎｍでトルクを入力し、連続運転を行った。次に、歯車装置が破損するまでの入力軸の回転数を計数した。そして、このようにして求めた回転数を、歯車装置の寿命とした。

評価結果を図１０に示す。図１０に示す評価結果から明らかなように、実施例の歯車装置の寿命は、比較例１の歯車装置の寿命よりも長いことが認められた。

４．２．応答性
次に、実施例および各比較例の歯車装置について、その応答性を以下のようにして評価した。

まず、歯車装置の入力軸を固定した。次に、出力軸を回転させ、入力軸に発生するトルクと、そのトルクに対応する出力軸の回転角度と、をそれぞれ求めた。

次に、入力軸に発生したトルクの位相と、出力軸の回転の位相と、のずれを算出した。そして、横軸にトルクをとり、縦軸に位相のずれをとった座標系に、測定結果をプロットし、グラフを作成した。得られたグラフを図１１に示す。

図１１に示すグラフから明らかなように、実施例の歯車装置では、入力に対する出力の位相のずれが比較例２の歯車装置よりも小さく抑えられていた。したがって、実施例の歯車装置は、比較例２の歯車装置よりも応答性が高いことが認められた。

１…歯車装置、２…内歯歯車、３…外歯歯車、３Ａ…外歯歯車、４…波動発生器、２３…内歯、３０…内周面、３１…胴部、３１ａ…第１端部、３１ｂ…第２端部、３２…フランジ部、３２Ａ…底部、３３…外歯、３５…開口、３６…第１円周溝、３６Ａ…第１円周溝、３６Ｂ…第１円周溝、３７…第２円周溝、４１…カム、４２…ベアリング、１００…ロボット、１１０…基台、１２０…第１アーム、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、１６０…配管、１７０…第１駆動部、１７１…モーター、１９０…制御装置、３０１…研磨面、３０２…旋盤切削加工面、３２１…孔、３２２…孔、３８１…領域、３８２…領域、３８３…領域、４１１…軸部、４１２…カム部、４２１…内輪、４２２…ボール、４２３…外輪、Ｊ１…第１軸、Ｊ２…第２軸、Ｊ３…第３軸、Ｌａ…長軸、Ｌｂ…短軸、ａ…回転軸、ｄ１…深さ、ｄ２…深さ、Ｌ１…長さ、Ｌ２…長さ、ｔ…厚さ

Claims (7)

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、
   前記外歯歯車の内周面に接触し、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、
   前記外歯歯車は、前記波動発生器が接触している第１端部と、前記第１端部とは前記回転軸に沿って隣り合う第２端部と、を有する円筒部を備え、
   前記第１端部の内周面は、研磨面を含み、
   前記第２端部の内周面は、旋盤切削加工面を含むことを特徴とする歯車装置。
2. 前記旋盤切削加工面は、前記回転軸まわりの周方向に延在する第１円周溝を有し、
   前記第１円周溝は、螺旋状になっている請求項１に記載の歯車装置。
3. 前記第１円周溝の深さは、前記旋盤切削加工面のうち、前記研磨面に近い領域よりも離れている領域において深くなっている請求項２に記載の歯車装置。
4. 前記第１円周溝の深さは、前記旋盤切削加工面のうち、前記研磨面に近い領域よりも離れている領域において浅くなっている請求項２に記載の歯車装置。
5. 前記研磨面は、前記回転軸まわりの周方向に延在する第２円周溝を有する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の歯車装置。
6. 前記外歯歯車は、前記第１端部に設けられている外歯を備え、
   前記回転軸の軸方向における前記研磨面の長さは、前記軸方向における前記外歯の長さより長い請求項１ないし５のいずれか１項に記載の歯車装置。
7. 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１部材に対して前記第２部材を相対的に回動させる駆動力を伝達する請求項１ないし６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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