JP2024065726A - 波動歯車装置およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】波動歯車装置の部材の摩耗や劣化を抑制し、回転時の噛み合いを安定させることができる技術を提供する【解決手段】波動歯車装置１００は、剛性内歯歯車１０、可撓性歯車２０と、波動発生器３０を有する。剛性内歯歯車は、内周面に複数の内歯１１を有し、中心軸Ｃ１を中心として円環状に拡がる。可撓性歯車２０は、歯部２１と、胴体部２２と、底部２３を有する。波動発生器３０は、可撓性歯車の歯部の径方向内側において、中心軸周りに回転する。波動発生器は、非真円カム３１と可撓性軸受３２とを有する。非真円カムは、中心軸周りに回転し、周方向の位置によって異なる外径を有する。可撓性軸受は、内輪が非真円カムに固定され、かつ、外輪が可撓性歯車に固定される。可撓性歯車の歯部におけるビッカース硬度をＶｆｇとし、可撓性軸受の外輪におけるビッカース硬度をＶｆｂとすると、３００ＨＶ≦Ｖｆｇ＜Ｖｆｂの関係が成立する。【選択図】図１

Description

本発明は、波動歯車装置およびロボットに関する。

従来、剛性内歯歯車および可撓性歯車と、可撓性歯車に径方向内側から接触しつつ回転し、周方向の位置によって異なる外径を有する波動発生器と、を備える波動歯車装置が知られている。この種の波動歯車装置は、主に減速機として用いられる。従来の波動歯車装置については、例えば、特開２０１７－１８０４８６号公報および特開２０１８－０８７６１１号公報に開示されている。

特開２０１７－１８０４８６号公報および特開２０１８－０８７６１１号公報の歯車装置（１）は、波動歯車装置であり、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。また、波動発生器（４）にモーター（１５０）からの駆動力が入力されると、波動発生器（４）の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る。これにより、可撓性歯車（３）の横断面が楕円形または長円形に変形し、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）と噛み合い、さらに、噛み合い位置が周方向に移動する。

また、上記公報には、金属製の円柱状の素材（１０）に、据え込鍛造工程や絞り加工工程を行うことにより、可撓性歯車（３）を形成することが記載されている。据え込鍛造工程においては、素材（１０）が軸線方向（α）に加圧されることによって、円板状の板体（１１）が形成される。絞り加工工程においては、板体（１１）が絞り加工されることによって、円筒状の胴部（３１）と底部（３２）とを有する筒体（１２）が形成される。さらに、転造等によって、筒体（１２）に外歯（３３）が形成される。
特開２０１７－１８０４８６号公報 特開２０１８－０８７６１１号公報

上記のとおり、波動歯車装置においては、波動発生器のローラが可撓性歯車の内周面上を転動しながら可撓性歯車を内側から押し広げ、これにより可撓性歯車が剛性歯車と噛み合いながら撓み、回転する。このため、波動歯車装置が長期間に亘って駆動すると、可撓性歯車または波動発生器の強度（硬度）が低い場合や、可撓性歯車と波動発生器との間の強度の差が大きい場合に、可撓性歯車または波動発生器が摩耗したり、回転時の噛み合いが不安定になったりする虞がある。

本発明の目的は、可撓性歯車および波動発生器の強度や、可撓性歯車と波動発生器との間の強度のバランスを、所定の範囲に設定することによって、これらの部材の摩耗や劣化を抑制し、回転時の噛み合いを安定させることができる技術を提供することである。

本発明は、波動歯車装置であって、内周面に複数の内歯を有し、中心軸を中心として円環状に拡がる剛性内歯歯車と、前記剛性内歯歯車の前記複数の内歯に対して部分的に噛み合う外歯を有する可撓性歯車と、前記剛性内歯歯車および前記可撓性歯車の径方向内側において、前記中心軸を中心として回転し、周方向の位置によって異なる外径を有する波動発生器と、を有し、前記可撓性歯車は、前記中心軸に沿って筒状に延び、外側面に前記中心軸から離れる方向に延びる複数の前記外歯を有する歯部と、前記歯部よりも軸方向一方側に配置され、前記中心軸と平行な方向の成分を含む方向に延びる筒状の胴体部と、前記胴体部の軸方向一方側の端部から径方向内側に拡がる底部と、を有し、前記波動発生器は、前記中心軸を中心として回転し、周方向の位置によって異なる外径を有する非真円カムと、 内輪が前記非真円カムに固定され、かつ、外輪が前記可撓性歯車に固定され、または前記可撓性歯車に接触する、可撓性軸受と、を有し、前記可撓性歯車の前記歯部におけるビッカース硬度をＶｆｇとし、前記可撓性軸受の前記外輪におけるビッカース硬度をＶｆｂとすると、３００ＨＶ≦Ｖｆｇ＜Ｖｆｂの関係が成立する。

本発明によれば、可撓性歯車の歯部のビッカース硬度、および可撓性軸受の外輪のビッカース硬度を、それぞれ所定値以上に設定することによって、可撓性軸受が非真円カムと一体的に可撓性歯車の内周面を押圧しつつ回転する際の、これらの部材の摩耗や劣化を抑制し、耐久性を向上できる。また、可撓性歯車が剛性内歯歯車と噛み合いながら撓み、回転する際の、可撓性歯車の歯部の歯底の変形や割れを抑制できる。また、可撓性軸受の外輪のビッカース硬度を、可撓性歯車の歯部のビッカース硬度よりも大きくすることによって、可撓性軸受が可撓性歯車を押圧しつつ回転する際の、可撓性軸受の外輪の摩耗や劣化をさらに抑制し、回転を安定させることができる。

図１は、波動歯車装置の縦断面図である。 図２は、波動歯車装置の横断面図である。 図３は、可撓性歯車の縦断面図である。 図４は、可撓性歯車の製造手順を示すフローチャートである。 図５は、中間成形品の概要図である。 図６は、可撓性歯車の歯部のビッカース硬度と、可撓性軸受の外輪のビッカース硬度とを、様々な値に設定した場合の、耐久試験を行った結果を示す表である。 図７は、ロボットの概要図である。 図８は、自転車の概要図である。

以下、本願の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、波動歯車装置の中心軸と平行な方向を「軸方向」、波動歯車装置の中心軸に直交する方向を「径方向」、波動歯車装置の中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。

また、本願では、後述する図１および図３において、左側を「軸方向一方側」、右側を「軸方向他方側」として、各部の形状や位置関係を説明する。また、本願において「平行な方向」とは、幾何学的に厳密に平行な場合に限定されない。発明の効果を奏する程度に平行であればよい。また、本願において「直交する方向」とは、幾何学的に厳密に直交する場合に限定されない。発明の効果を奏する程度に直交であればよい。

＜１．波動歯車装置の構成＞
以下では、本発明の例示的な実施形態に係る波動歯車装置１００の構成について説明する。図１は、波動歯車装置１００の縦断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ位置から見たときの波動歯車装置１００の横断面図である。

波動歯車装置１００は、後述する剛性内歯歯車１０と可撓性歯車２０との差動を利用して、入力された回転運動を変速する装置である。本実施形態の波動歯車装置１００は、例えば、アクチュエータ等に組み込まれ、モータから得られる動力を減速する減速機として用いられる。ただし、波動歯車装置１００は、小型ロボットの関節等の様々な装置に組み込まれて、各種の回転運動を変速するものであってもよい。

図１および図２に示すように、波動歯車装置１００は、剛性内歯歯車１０と、可撓性歯車２０と、波動発生器３０とを有する。また、波動歯車装置１００には、外部から動力を得るための入力軸（図示省略）が設けられている。入力軸は、例えば、モータのロータに接続され、中心軸Ｃ１を中心として軸方向に円柱状に延びる。また、入力軸は、モータのロータとともに、中心軸Ｃ１を中心として回転する。

剛性内歯歯車１０は、中心軸Ｃ１を中心として円環状に拡がる部材である。剛性内歯歯車１０は、可撓性歯車２０の後述する歯部２１の径方向外側に配置される。また、剛性内歯歯車１０は、十分な剛性を有し、実質的に剛体とみなすことができる。図２に示すように、剛性内歯歯車１０は、内周面において、複数の内歯１１を有する。複数の内歯１１は、それぞれ、径方向内方へ突出する。複数の内歯１１は、周方向に沿って、一定のピッチで配列される。本実施形態では、剛性内歯歯車１０は、波動歯車装置１００が搭載される装置の枠体に固定されるため、回転しない。

また、本実施形態の剛性内歯歯車１０は、ダクタイル鋳鉄により形成される。また、剛性内歯歯車１０の複数の内歯１１は、例えば、剛性内歯歯車１０の母材となる円環状の部材の内周面に、切削によって形成される。ただし、剛性内歯歯車１０の複数の内歯１１は、円環状の部材の内周面に、転造により形成されてもよい。すなわち、剛性内歯歯車１０の複数の内歯１１は、円環状の部材の内周面に、凹凸形状を有する内歯形成ローラを押し付けつつ、中心軸Ｃ１を中心とした周方向に転がすことにより形成されてもよい。また、剛性内歯歯車１０の引張強度は、５００ＭＰａ以上である。このように、粘り強さ（靭性）に優れ、高い引張強度を有するダクタイル鋳鉄を用いて剛性内歯歯車１０を形成することによって、長期間に亘って波動歯車装置１００が駆動して、剛性内歯歯車１０が可撓性歯車２０と噛み合いながら撓み、回転した際でも、脆性破壊することを抑制できる。

図３は、可撓性歯車２０の縦断面図である。図１～図３に示すように、可撓性歯車２０は、歯部２１と、胴体部２２と、底部２３とを有する。

歯部２１は、中心軸Ｃ１の周囲において、中心軸Ｃ１に沿って筒状に延びる部位である。歯部２１は、剛性内歯歯車１０の径方向内側に配置される。また、歯部２１は、可撓性を有し、径方向に撓み可能である。歯部２１は、外側面において、中心軸Ｃ１から離れる方向に延びる複数の外歯２４を有する。複数の外歯２４は、周方向に沿って、一定のピッチで配列される。また、後述のとおり、複数の外歯２４は、複数の内歯１１に対して、周方向において部分的に噛み合う。上記の剛性内歯歯車１０が有する内歯１１の数と、可撓性歯車２０が有する外歯２４の数とは、僅かに相違する。

胴体部２２は、歯部２１よりも軸方向一方側に配置され、中心軸Ｃ１の周囲において、中心軸Ｃ１方向の成分を含む方向に延びる筒状の部位である。胴体部２２は、歯部２１の軸方向一方側の端部と底部２３の外周部とを繋ぐ。胴体部２２の径方向の厚みは、底部２３の軸方向の厚みよりも薄い。歯部２１と底部２３との間に胴体部２２を設けることで、歯部２１が楕円状の撓み変形を繰り返しても、可撓性歯車２０に掛かる応力の分布が局所的に集中してしまうことを緩和できる。

底部２３は、胴体部２２の軸方向一方側の端部から径方向内側に拡がる部位である。また、底部２３は、中心軸Ｃ１の周囲に円環状かつ平板状に拡がる。底部２３は、胴体部２２よりも剛性が高く、撓み難い。底部２３は、ダイヤフラム部２３１と締結部２３２とを含む。ダイヤフラム部２３１は、胴体部２２の軸方向一方側の端部から径方向内側に向けて円環状に拡がる部位である。また、ダイヤフラム部２３１は、径方向内側へ向かうにつれて軸方向の厚みが緩やかに大きくなる、テーパ形状２５を有する。締結部２３２は、ダイヤフラム部２３１の径方向内側の端部から、さらに径方向内側に延び、中心軸Ｃ１の周囲に円環状に拡がる部位である。締結部２３２の軸方向の厚みは、ダイヤフラム部２３１の径方向内側の端部の軸方向の厚みと、略同一である。締結部２３２の径方向内側には、例えば、減速後の動力を取り出すための出力軸（図示省略）が挿入され、締結部２３２に固定される。

なお、詳細を後述するとおり、本実施形態の可撓性歯車２０は、オーステナイト系のステンレス鋼により形成される。また、剛性内歯歯車１０と可撓性歯車２０がそれぞれ形成された後、剛性内歯歯車１０の複数の内歯１１を有する内周面におけるビッカース硬度を「Ｖｉｇ」とし、可撓性歯車２０の複数の外歯２４を有する歯部２１におけるビッカース硬度を「Ｖｆｇ」とすると、「２００ＨＶ≦Ｖｉｇ≦Ｖｆｇ≦５００ＨＶ」の関係が成立する。

このように、まず、剛性内歯歯車１０の内周面のビッカース硬度Ｖｉｇを２００ＨＶ以上とし、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度ＶｆｇをＶｉｇ以上とする、すなわち、剛性内歯歯車１０の内周面のビッカース硬度Ｖｉｇおよび可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇを、それぞれ所定値以上に設定することによって、可撓性歯車２０が剛性内歯歯車１０と噛み合いながら撓み、回転する際の、これらの部材の摩耗や劣化を抑制し、耐久性を向上できる。また、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇを、剛性内歯歯車１０の内周面のビッカース硬度Ｖｉｇ以上にすることによって、可撓性歯車２０が剛性内歯歯車１０と噛み合いながら撓み、回転する際の、可撓性歯車２０の摩耗や劣化をさらに抑制し、噛み合いを安定させることができる。なお、可撓性歯車２０の製造方法および詳細な構造については、後述する。

波動発生器３０は、可撓性歯車２０を撓み変形させるための機構である。波動発生器３０は、非真円カム３１と、可撓性軸受３２とを有する。波動発生器３０は、可撓性歯車２０の歯部２１および剛性内歯歯車１０の径方向内側に配置される。

非真円カム３１は、中心軸Ｃ１を中心として環状に拡がる部材である。本実施形態の非真円カム３１は、楕円形のカムプロフィールを有する。つまり、非真円カム３１は、周方向の位置によって異なる外径を有する。図１および図２に示すように、非真円カム３１は、可撓性歯車２０の歯部２１の径方向内側に配置される。非真円カム３１の径方向内側には、上記の入力軸が、相対回転不能に固定される。入力軸および非真円カム３１は、外部のモータ等から得られる動力によって、中心軸Ｃ１を中心として、減速前の回転数で回転する。

可撓性軸受３２は、内輪３２１と、複数のボール３２２と、弾性変形可能な外輪３２３とを有する。内輪３２１は、非真円カム３１の外周面に固定される。また、本実施形態の外輪３２３は、可撓性歯車２０の歯部２１の内周面に固定される。複数のボール３２２は、内輪３２１と外輪３２３との間に介在し、周方向に沿って配列される。外輪３２３は、回転する非真円カム３１のカムプロフィールを反映するように、内輪３２１およびボール３２２を介して弾性変形（撓み変形）する。ただし、外輪３２３は、必ずしも可撓性歯車２０に固定されなくてもよい。外輪３２３は、可撓性歯車２０の歯部２１の内周面に接触するように構成されていてもよい。

なお、本実施形態の内輪３２１、複数のボール３２２、および外輪３２３を含む可撓性軸受３２は、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼鋼材）により形成される。特に、外輪３２３を形成する材料は、Ｆｅ（鉄）を主成分とし、０．９５～１．００重量％のＣ（炭素）と、０．１５～０．３５重量％のＳｉ（ケイ素）と、１．３０～１．６０重量％のＣｒ（クロム）と、を含む。

また、可撓性歯車２０の歯部２１におけるビッカース硬度を「Ｖｆｇ」とし、可撓性軸受３２の外輪３２３におけるビッカース硬度を「Ｖｆｂ」とすると、「３００ＨＶ≦Ｖｆｇ＜Ｖｆｂ＜８００ＨＶ」の関係が成立する。また、可撓性軸受３２の外輪３２３におけるビッカース硬度Ｖｆｂは、６００ＨＶ以上であることが、より望ましい。

このように、まず、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇを３００ＨＶ以上とし、可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度ＶｆｂをＶｆｇよりも大きくする、すなわち、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇおよび可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂを、それぞれ所定値以上に設定することによって、後述のとおり、可撓性軸受３２が非真円カム３１と一体的に可撓性歯車２０の内周面を押圧しつつ回転する際の、これらの部材の摩耗や劣化を抑制し、耐久性を向上できる。また、可撓性歯車２０が剛性内歯歯車１０と噛み合いながら撓み、回転する際の、可撓性歯車２０の歯部２１の歯底の変形や割れを抑制できる。また、可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂを、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇよりも大きくすることによって、可撓性軸受３２が可撓性歯車２０を押圧しつつ回転する際の、可撓性軸受３２の外輪３２３の摩耗や劣化をさらに抑制し、回転を安定させることができる。

また、可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂを、８００ＨＶ未満とし、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度ＶｆｇをＶｆｂ未満とする、すなわち、可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂおよび可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇを、それぞれ所定値未満に設定することによって、波動歯車装置１００の製造時に各部を組み立てる際に、可撓性歯車２０の径方向内側に、可撓性軸受３２を容易に組み込むことができる。

このような構成の波動歯車装置１００において、上記の入力軸に動力が供給されると、入力軸と、非真円カム３１を含む波動発生器３０とが、中心軸Ｃ１を中心として一体的に回転する。また、上記のとおり、非真円カム３１は、周方向の位置によって異なる外径を有する。すなわち、波動発生器３０は、周方向の位置によって異なる外径を有する。これにより、非真円カム３１の回転に伴って、可撓性軸受３２を介して、可撓性歯車２０の歯部２１の内周面が径方向内側から押圧されることにより、歯部２１が楕円状に撓み変形する。これにより、図２のように、非真円カム３１および歯部２１がなす楕円の長軸の両端の２箇所で、外歯２４と内歯１１とが噛み合う。一方、前記楕円の上記２箇所以外の周方向の位置では、外歯２４と内歯１１とは噛み合わない。すなわち、本実施形態では、複数の外歯２４は、複数の内歯１１に対して、周方向において部分的に噛み合う。

非真円カム３１が回転すると、非真円カム３１および歯部２１がなす楕円の長軸の位置が周方向に移動するので、内歯１１と外歯２４との噛み合い位置も周方向に移動する。ここで、上記のとおり、剛性内歯歯車１０が有する内歯１１の数と、可撓性歯車２０が有する外歯２４の数とは、僅かに相違する。このため、非真円カム３１の１回転ごとに、内歯１１と外歯２４との噛み合い位置が僅かに変化する。その結果、可撓性歯車２０は、剛性内歯歯車１０に対して、内歯１１と外歯２４との歯数の違いによって、相対回転する。これにより、波動歯車装置１００は、外部のモータ等から入力軸を介して波動発生器３０に入力された動力を減速して、可撓性歯車２０に固定された出力軸から出力することができる。

＜２．可撓性歯車の製造方法および詳細な構造＞
次に、可撓性歯車２０を製造する方法、および可撓性歯車２０の詳細な構造について、説明する。図４は、可撓性歯車２０の製造手順を示すフローチャートである。

図４に示すように、可撓性歯車２０を製造するときには、まず、可撓性歯車２０の母材となる金属板を準備する（ステップＳ１）。上記のとおり、可撓性歯車２０は、オーステナイト系のステンレス鋼を用いて形成される。すなわち、ステップＳ１では、オーステナイト系のステンレス鋼の金属板が準備される。一般に、これらのオーステナイト系のステンレス鋼は、面心立方格子の結晶構造を有し、比較的硬度が低い。しかしながら、オーステナイト系のステンレス鋼を冷間加工すると、塑性変形により誘起されてオーステナイトがマルテンサイトに変態し、加工硬化する。この結果、当該マルテンサイト相が形成された後の強度（硬度）が高まる。なお、この変態量は、変形量に依存する。

また、ステンレス鋼の加工硬化指数であるｎ値は、０．３以上である。すなわち、金属板には、加工硬化指数であるｎ値が、概ね０．３以上であるステンレス鋼が用いられる。ここで、ｎ値とは、例えば、ＪＩＳ Ｚ ２２５３：２０２０に従い、測定対象である各鋼板から、「ＪＩＳ１３号Ｂ引張試験片」を採取して引張試験を実施し、「荷重（引張強さ）－伸び曲線」から求まる「真応力（σ）－真歪み（ε）曲線」を近似的に「σ＝Ｆε^ｎ」で表したときの指数ｎ値として、両対数グラフに真応力（σ）－真歪み（ε）値をプロットしたときの傾きから、算出することができる。一般に、ｎ値が大きいほど、成形性に優れ、加工硬化が生じやすく、変形を一様化することができる。本実施形態では、ｎ値の大きいオーステナイト系のステンレス鋼を用いて、可撓性歯車２０を加工して成形することにより、加工の際の変形を一様化することができ、製品精度が向上する。

次に、図４に示すように、金属板に対して、絞り加工を行う（ステップＳ２）。絞り加工を行う際には、例えば、円板状の金属板を、円柱状の金型の先端面に取り付け、所定の圧力で接触させる。この結果、有底筒状の中間成形品６０が形成される。図５は、中間成形品６０の概要図である。

なお、中間成形品６０のうち、金型の先端面に接触していた部位６１は、その後、テーパ形状や貫通孔の形成等を経て、可撓性歯車２０の底部２３（ダイヤフラム部２３１と締結部２３２とを含む）となる部位である。また、中間成形品６０のうち、金型の側面に接触していた部位６２は、可撓性歯車２０の歯部２１および胴体部２２となる部位である。

次に、有底筒状の中間成形品６０における部位６２のうち、先端側に位置する部位６２１に、凹凸形状を有する外歯形成ローラ（図示省略）を押し付けつつ、上記の金型の中心軸を中心とした周方向に転がすことによって、外歯２４を形成（転造）する（ステップＳ３）。ただし、部位６２１に対して、切削等の別の手法によって、外歯２４を形成してもよい。これにより、部位６２１は、外周面に複数の外歯２４が形成された歯部２１となる。また、部位６２のうち、部位６２１よりも底部２３（部位６１）側に位置する部位６２２は、可撓性歯車２０の胴体部２２となる。

上記のとおり、部位６２１は、外歯２４が形成される過程で、外歯形成ローラが押し付けられることにより変形する。これにより、部位６２１を構成する金属板中のオーステナイトが塑性変形する。そして、塑性変形により誘起されてオーステナイトがマルテンサイトに変態し、加工硬化する。この結果、部位６２１の強度がさらに高まる。

ここで、上記のとおり、可撓性歯車２０が形成された後（後述するステップＳ４が終了した時点）において、「可撓性歯車２０の複数の外歯２４を有する歯部２１におけるビッカース硬度Ｖｆｇ≦５００ＨＶ」の関係が成立する。すなわち、本実施形態では、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇは、所定値以下とされている。逆の見方をすれば、本実施形態では、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇを、５００ＨＶ以下とし、高くし過ぎないことによって、ステップＳ３では、外歯２４を転造にて容易に形成することができる。

次に、図４に示すように、外歯２４を形成した後の可撓性歯車２０に対し、ショットピーニングを施す（ステップＳ４）。ここで、ショットピーニングとは、無数の小さな球体を衝突させることによって、表面を改質する表面処理である。ショットピーニングを行った後、可撓性歯車２０における複数の外歯２４を有する歯部２１，胴体部２２，および底部２３はそれぞれ、表面に複数のディンプル（小さな丸い窪み）を有する。

これにより、可撓性歯車２０における複数の外歯２４を有する歯部２１，胴体部２２，および底部２３の表面付近のオーステナイトが塑性変形する。そして、塑性変形により誘起されてオーステナイトがマルテンサイトに変態し、加工硬化する。すなわち、ショットピーニングにより、可撓性歯車２０の表面付近が、よりマルテンサイト化し、強度がさらに高まり、耐久性がさらに向上する。この結果、長期間に亘って波動歯車装置１００が駆動して、可撓性歯車２０が剛性内歯歯車１０と噛み合いながら撓み、回転する場合でも、可撓性歯車２０の表面付近の摩耗や劣化をさらに抑制し、さらに耐久性を向上できる。

なお、ステップＳ４の終了後、可撓性歯車２０の表面付近における残留応力を測定した。その結果、可撓性歯車２０は、ショットピーニングが施されることによって、表面の少なくとも一部における残留応力が「－８００ＭＰａ以上」となることが確認された。ここで、「－８００ＭＰａ以上」とは、例えば「－７００ＭＰａ」は含まれるが、「－９００ＭＰａ」は含まれないことを意味する。本実施形態では、上記のとおり、可撓性歯車２０の表面にショットピーニングを行うことによって、可撓性歯車２０の表面付近が加工硬化するため、強度がより高まることが確認された。

以上のとおり、本実施形態では、オーステナイト系のステンレス鋼からなる金属板を用いて可撓性歯車２０を形成する過程で、まず、絞り加工を行うことによって、歯部２１，胴体部２２，および底部２３を形成する。次に、歯型転造を行うことによって、歯部２１の外周面に外歯２４を形成する。さらに、複数の外歯２４を含む歯部２１，胴体部２２，および底部２３の表面に、ショットピーニングを施す。これにより、各工程を経るにつれて、これらに含まれるマルテンサイト相の占有率が上昇し、加工硬化する。この結果、形成された可撓性歯車２０における残留応力が大きくなり、強度がさらに高まる。また、本実施形態では、熱処理を行うことなく可撓性歯車２０を形成することができるため、製造工程における作業時間を短縮し、コストを削減できる。また、本実施形態では、上記のとおり、ｎ値の大きいオーステナイト系のステンレス鋼を用いて可撓性歯車２０を形成することにより、絞り加工、歯型転造、およびショットピーニングを行う際の変形を一様化することができるため、最終製品としての精度を向上することができる。

＜３．可撓性歯車および可撓性軸受のビッカース硬度に関する試験結果＞
上記のとおり、本実施形態では、可撓性歯車２０が形成された後、「３００ＨＶ≦可撓性歯車２０の複数の外歯２４を有する歯部２１におけるビッカース硬度Ｖｆｇ＜可撓性軸受３２の外輪３２３におけるビッカース硬度Ｖｆｂ＜８００ＨＶ」の関係が成立する。また、可撓性歯車２０自体の強度については、「可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇ≦５００ＨＶ」の関係が成立する。そこで、このような関係が成立することによる効果を比較・確認することを目的として、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇと、可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂとを、様々な値に設定した場合の、これらの部材の耐久試験を行った内容と結果について、説明する。

耐久試験を行う前段階として、歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇとして様々な値を有する数種類の可撓性歯車２０（歯部２１の外径の最大値：６３ｍｍ）と、外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂとして様々な値を有する数種類の可撓性軸受３２と、をそれぞれ準備した（図６参照）。そして、これらの数種類の可撓性歯車２０の中から１つを選択し、数種類の可撓性軸受３２の中から１つを選択して、これらの選択の組み合わせとして、実際に実施することを想定した実施例（Ａ）～（Ｄ）と、実際に実施することを想定しておらず、当該試験において比較するためだけの比較例（ｐ）～（ｕ）と、に分類した（図６参照）。次に、実施例（Ａ）～（Ｄ）および比較例（ｐ）～（ｕ）のうちの選択した１つの可撓性歯車２０の内周面に、当該選択した１つの可撓性軸受３２の外輪３２３を固定し、これらの部材を有する、波動歯車装置１００を順に組み立て、さらに選択した可撓性歯車２０の外歯２４を、剛性内歯歯車１０の内歯１１に噛み合わせた。ただし、比較例（ｑ），（ｓ），（ｔ）の場合、可撓性歯車２０のビッカース硬度Ｖｆｇが高過ぎて、耐久試験を行う以前に、そもそも可撓性歯車２０の製造段階で外歯２４を正常に成形できなかったことが確認された。一方、実施例（Ｄ）のように、可撓性歯車２０のビッカース硬度Ｖｆｇを５００ＨＶとした場合、可撓性歯車２０の外歯２４を正常に成形でき、かつ耐久試験を行うことができたことが確認された。これにより、本願発明の発明者は、当該実験結果から、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇの上限値を「５００ＨＶ」と設定した。

また、比較例（ｕ）の場合、可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂが高過ぎて、耐久試験を行う以前に、そもそも波動歯車装置１００の組み立ての際に、可撓性軸受３２を組み込むことができなかったことが確認された。一方、実施例（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）のように、可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂを７００ＨＶとした場合、波動歯車装置１００の組み立ての際に、多少の余裕を持って可撓性軸受３２を組み込むことができたことが確認された。これにより、本願発明の発明者は、当該実験結果から、可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂの上限を「８００ＨＶ未満」と設定した。

次に、耐久試験として、波動歯車装置１００の非真円カム３１に入力軸を締結し、可撓性歯車２０の底部２３の締結部２３２に出力軸を締結した。そして、入力軸を回転不能に固定し、出力軸に、中心軸Ｃ１を中心として４５９Ｎｍの最大許容トルクを、所定の間隔で正方向および逆方向に交互に１０００万回付加した。そして、このときの回転角（バックラッシュを含むねじれ角）が１ａｒｃ ｍｉｎ以下となる場合は「（耐久試験結果）〇」とし、１ａｒｃ ｍｉｎを超える場合は「（耐久試験結果）×」とすることとした。図６は、当該耐久試験を行った結果を示す表である。

図６に示すように、実施例（Ａ）～（Ｄ）においては、「３００ＨＶ≦Ｖｆｇ＜Ｖｆｂ＜８００ＨＶ」の関係、および「Ｖｆｇ≦５００ＨＶ」を満たし、「（耐久試験結果）〇」となることが確認された。一方、比較例（ｐ）の場合、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇが、可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂよりも高くなり、可撓性軸受３２の外輪３２３に過大な負荷が加わり、折損したことが確認された。一方、実施例（Ａ）～（Ｄ）のように、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇよりも可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂが高い場合は、可撓性軸受３２の外輪３２３が損傷または破損することなく、「（耐久試験結果）〇」となることが確認された。これにより、本願発明の発明者は、当該実験結果から、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇと可撓性軸受３２の外輪３２３のビッカース硬度Ｖｆｂとの関係を「Ｖｆｇ＜Ｖｆｂ」と設定した。

また、比較例（ｒ）の場合、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇが低過ぎて、剛性内歯歯車１０の内歯１１との噛み合いによって、可撓性歯車２０の歯部２１の歯底が割れたことが確認された。一方、実施例（Ｂ）のように、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇを３００ＨＶとした場合、耐久試験を行った可撓性歯車２０の歯部２１の歯底が割れることがなく、「（耐久試験結果）〇」となることが確認された。これにより、本願発明の発明者は、当該実験結果から、可撓性歯車２０の歯部２１のビッカース硬度Ｖｆｇの下限値を「３００ＨＶ」と設定した。

＜４．適用例＞
図７は、波動歯車装置１００の一適用例としての、波動歯車装置１００を搭載したロボット２００の概要図である。本適用例のロボット２００は、例えば、工業製品の製造ラインにおいて、部品の搬送、加工、組立等の作業を行う、いわゆる産業用ロボットである。図７に示すように、ロボット２００は、ベースフレーム２０１、アーム２０２、モータ２０３、および波動歯車装置１００を有する。

アーム２０２は、ベースフレーム２０１に対して、回動可能に支持されている。モータ２０３および波動歯車装置１００は、ベースフレーム２０１とアーム２０２との間の関節部に、組み込まれている。モータ２０３に駆動電流が供給されると、モータ２０３から回転運動が出力される。また、モータ２０３から出力される回転運動は、波動歯車装置１００により減速されて、アーム２０２へ伝達される。これにより、ベースフレーム２０１に対してアーム２０２が、減速後の速さで回動する。

図８は、波動歯車装置１００の他の適用例としての、波動歯車装置１００を搭載した自転車３００の概要図である。本適用例の自転車３００は、例えば、人力による回転をモータ３０３の駆動力でアシストする電動アシスト駆動ユニット３０１を備えた、電動アシスト自転車である。図８に示すように、電動アシスト駆動ユニット３０１は、シャフト３０２、モータ３０３、および波動歯車装置１００である減速機を有する。

シャフト３０２は、自転車３００に搭乗する人がペダルを漕ぐことによる人力によって、図８の紙面に直交する中心軸を中心として回転する。モータ３０３および波動歯車装置１００である減速機は、シャフト３０２の付近に配置される。そして、モータ３０３に駆動電流が供給されると、モータ３０３のロータが回転する。また、モータ３０３のロータの回転は、減速機により減速されて、シャフト３０２へ出力される。これにより、シャフト３０２は、回転がアシストされ、増幅された速さで、タイヤとともに回転する。なお、本適用例では、比較的トルクの小さいモータ３０３が用いられる。また、本適用例の波動歯車装置１００には、複数の内歯１１が転造により形成された剛性内歯歯車１０が用いられる。

＜５．変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態には限定されない。

上記の実施形態において、可撓性歯車２０は、波動歯車装置１００が搭載される装置の枠体に固定された剛性内歯歯車１０に噛み合いながら回転するように構成されていた。すなわち、上記の実施形態では、剛性内歯歯車１０は回転せず、可撓性歯車２０のみが回転するように構成されていた。しかしながら、これは逆であってもよい。すなわち、波動歯車装置１００において、可撓性歯車２０は枠体等に固定されて回転せず、剛性内歯歯車１０に出力軸が固定され、剛性内歯歯車１０が出力軸とともに減速後の回転数で回転するように構成されてもよい。

また、波動歯車装置およびロボットの細部の形状については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記の各図に示された形状と相違していてもよい。

＜６．総括＞
なお、本技術は、以下のような構成をとることが可能である。
（１）：内周面に複数の内歯を有し、中心軸を中心として円環状に拡がる剛性内歯歯車と、
前記剛性内歯歯車の前記複数の内歯に対して部分的に噛み合う外歯を有する可撓性歯車と、
前記剛性内歯歯車および前記可撓性歯車の径方向内側において、前記中心軸を中心として回転し、周方向の位置によって異なる外径を有する波動発生器と、
を有し、
前記可撓性歯車は、
前記中心軸に沿って筒状に延び、外側面に前記中心軸から離れる方向に延びる複数の前記外歯を有する歯部と、
前記歯部よりも軸方向一方側に配置され、前記中心軸と平行な方向の成分を含む方向に延びる筒状の胴体部と、
前記胴体部の軸方向一方側の端部から径方向内側に拡がる底部と、
を有し、
前記波動発生器は、
前記中心軸を中心として回転し、周方向の位置によって異なる外径を有する非真円カムと、
内輪が前記非真円カムに固定され、かつ、外輪が前記可撓性歯車に固定され、または前記可撓性歯車に接触する、可撓性軸受と、
を有し、
前記可撓性歯車の前記歯部におけるビッカース硬度をＶｆｇとし、前記可撓性軸受の前記外輪におけるビッカース硬度をＶｆｂとすると、
３００ＨＶ≦Ｖｆｇ＜Ｖｆｂ
の関係が成立する、波動歯車装置。

（２）：（１）に記載の波動歯車装置であって、
さらに、
Ｖｆｂ＜８００ＨＶ
の関係が成立する、波動歯車装置。

（３）：（１）または（２）に記載の波動歯車装置であって、
さらに、
Ｖｆｇ≦５００ＨＶ
の関係が成立する、波動歯車装置。

（４）：（１）から（３）までのいずれか１つに記載の波動歯車装置であって、
前記可撓性歯車は、オーステナイト系のステンレス鋼により形成されている、波動歯車装置。

（５）：（４）に記載の波動歯車装置であって、
前記ステンレス鋼の加工硬化指数であるｎ値は、０．３以上である、波動歯車装置。

（６）：（１）から（５）までのいずれか１つに記載の波動歯車装置であって、
前記可撓性歯車は、ショットピーニングが施されることによって、表面の少なくとも一部における残留応力が－８００ＭＰａ以上である、波動歯車装置。

（７）：（１）から（６）までのいずれか１つに記載の波動歯車装置であって、
前記外輪を形成する材料は、Ｆｅを主成分とし、０．９５～１．００重量％のＣと、０．１５～０．３５重量％のＳｉと、１．３０～１．６０重量％のＣｒと、を含む、波動歯車装置。

（８）：（１）から（７）までのいずれか１つに記載の波動歯車装置であって、
前記剛性内歯歯車は、ダクタイル鋳鉄により形成され、かつ、引張強度が５００ＭＰａ以上である、波動歯車装置。

（９）：（１）から（８）までのいずれか１つに記載の波動歯車装置を備えたロボット。

（１０）：（１）から（９）までのいずれか１つに記載の波動歯車装置であって、
前記剛性内歯歯車の前記複数の内歯は、転造により形成されたことを特徴とする、波動歯車装置。

本願は、波動歯車装置およびロボットに利用できる。

１０ 剛性内歯歯車
１１ 内歯
２０ 可撓性歯車
２１ 歯部
２２ 胴体部
２３ 底部
２４ 外歯
３０ 波動発生器
３１ 非真円カム
３２ 可撓性軸受
１００ 波動歯車装置
２００ ロボット
２０３ （ロボットに搭載される）モータ
２３１ ダイヤフラム部
２３２ 締結部
３００ 自転車
３０１ 電動アシスト駆動ユニット
３０２ （自転車の）シャフト
３０３ （自転車に搭載される）モータ
３２１ （可撓性軸受の）内輪
３２２ （可撓性軸受の）ボール
３２３ （可撓性軸受の）外輪
Ｃ１ 中心軸
Ｖｆｂ （可撓性軸受の外輪の）ビッカース硬度
Ｖｆｇ （可撓性歯車の歯部の）ビッカース硬度
Ｖｉｇ （剛性内歯歯車１０の内周面の）ビッカース硬度

Claims (10)

1. 内周面に複数の内歯を有し、中心軸を中心として円環状に拡がる剛性内歯歯車と、
   前記剛性内歯歯車の前記複数の内歯に対して部分的に噛み合う外歯を有する可撓性歯車と、
   前記剛性内歯歯車および前記可撓性歯車の径方向内側において、前記中心軸を中心として回転し、周方向の位置によって異なる外径を有する波動発生器と、
   を有し、
   前記可撓性歯車は、
   前記中心軸に沿って筒状に延び、外側面に前記中心軸から離れる方向に延びる複数の前記外歯を有する歯部と、
   前記歯部よりも軸方向一方側に配置され、前記中心軸と平行な方向の成分を含む方向に延びる筒状の胴体部と、
   前記胴体部の軸方向一方側の端部から径方向内側に拡がる底部と、
   を有し、
   前記波動発生器は、
   前記中心軸を中心として回転し、周方向の位置によって異なる外径を有する非真円カムと、
   内輪が前記非真円カムに固定され、かつ、外輪が前記可撓性歯車に固定され、または前記可撓性歯車に接触する、可撓性軸受と、
   を有し、
   前記可撓性歯車の前記歯部におけるビッカース硬度をＶｆｇとし、前記可撓性軸受の前記外輪におけるビッカース硬度をＶｆｂとすると、
   ３００ＨＶ≦Ｖｆｇ＜Ｖｆｂ
   の関係が成立する、波動歯車装置。
2. 請求項１に記載の波動歯車装置であって、
   さらに、
   Ｖｆｂ＜８００ＨＶ
   の関係が成立する、波動歯車装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の波動歯車装置であって、
   さらに、
   Ｖｆｇ≦５００ＨＶ
   の関係が成立する、波動歯車装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の波動歯車装置であって、
   前記可撓性歯車は、オーステナイト系のステンレス鋼により形成されている、波動歯車装置。
5. 請求項４に記載の波動歯車装置であって、
   前記ステンレス鋼の加工硬化指数であるｎ値は、０．３以上である、波動歯車装置。
6. 請求項１または請求項２に記載の波動歯車装置であって、
   前記可撓性歯車は、ショットピーニングが施されることによって、表面の少なくとも一部における残留応力が－８００ＭＰａ以上である、波動歯車装置。
7. 請求項１または請求項２に記載の波動歯車装置であって、
   前記外輪を形成する材料は、Ｆｅを主成分とし、０．９５～１．００重量％のＣと、０．１５～０．３５重量％のＳｉと、１．３０～１．６０重量％のＣｒと、を含む、波動歯車装置。
8. 請求項１または請求項２に記載の波動歯車装置であって、
   前記剛性内歯歯車は、ダクタイル鋳鉄により形成され、かつ、引張強度が５００ＭＰａ以上である、波動歯車装置。
9. 請求項１または請求項２に記載の波動歯車装置を備えたロボット。
10. 請求項１または請求項２に記載の波動歯車装置であって、
    前記剛性内歯歯車の前記複数の内歯は、転造により形成されたことを特徴とする、波動歯車装置。

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