JP5929758B2 - 偏心揺動型減速機 - Google Patents

Description

本発明は、偏心揺動型減速機に関し、詳しくは、偏心揺動型減速機の外歯歯車を偏心揺動させるクランク軸の回転バランスの改善に関する。

偏心揺動型減速機は、クランク軸を有している。クランク軸は、外歯歯車を偏心揺動させるため、偏心円筒カム部を備えている。通常、クランク軸は、入力軸として用いられ、高速で回転する。このため、偏心円筒カム部のアンバランスな形状に起因して発生する遠心力により、クランク軸を保持する軸受部には、変動荷重が作用する。例えば、特許文献１の減速機では、このような変動荷重を低減するため、偏心円筒カム部に、バランサウエイトが形成されている。これにより、偏心円筒カム部の重さに関するアンバランスが低く抑えられている。

また、２つの外歯歯車を備えた減速機も存在する。この種の減速機によれば、クランク軸には、２つの外歯歯車をそれぞれ支持するため、２つの偏心円筒カム部が設けられている。各偏心円筒カム部は、クランク軸の軸線周りに１８０度だけ位相をずらして配置されている。これにより、並進力が相殺される。

上述したように、特許文献１の減速機では、偏心円筒カム部の内側部に、バランサウエイトが形成されている。このバランサウエイトにより、クランク軸の軸線周りのアンバランスは解消される。しかしながら、クランク軸線と直交する軸線周りのアンバランスは、依然として存在する。このため、遠心力に起因して、クランク軸の軸線と直交する軸線周りの偶力が発生する。

２つの外歯歯車を備えた減速機では、２つの偏心円筒カム部が、クランク軸の軸線周りに１８０度だけ位相をずらして配置されている。こうした構造によっても、クランク軸の軸線周りのアンバランスは解消される。しかしながら、クランク軸の軸線と直交する軸線周りのアンバランスは、依然として存在する。このため、クランク軸の軸線と直交する軸線周りの偶力も、依然として発生する。

クランク軸の軸線と直交する軸線周りの偶力も、クランク軸を保持する軸受に対し変動荷重を与える。これにより、軸受の寿命が短くなる虞がある。また、偏心揺動型減速機に振動が発生する虞もある。

特開２００７−２４７６８４号公報

本発明の目的は、クランク軸の回転により軸受に作用する変動荷重が低減され、軸受の寿命が長くなり、かつ振動の発生が抑制される偏心揺動型減速機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第一の態様によれば、内歯車と、内歯車と噛合する２枚の外歯歯車と、両外歯歯車を支持するクランク軸と、両外歯歯車の回転に連動して回転するキャリヤとを備え、クランク軸は、その軸線周りに１８０度だけ位相をずらしてかつクランク軸の回転中心から偏心して配置された第１及び第２の円筒カム部を有し、両外歯歯車は、第１及び第２の円筒カム部によりそれぞれ回転可能にかつ内歯車の軸線周りに公転可能に支持され、キャリヤは、その軸線周りに等間隔に固定された複数の出力ピンを有し、各出力ピンは、両外歯歯車に設けられた複数の貫通穴と係合することにより両外歯歯車の自転運動と連動し、クランク軸を入力軸として内歯車及びキャリヤのいずれか一方を出力軸としてそれぞれ回転させる偏心揺動型減速機が提供される。クランク軸は、その軸線方向に沿って延びると共に互いに連通する第１及び第２の偏心穴を有し、第１の偏心穴は、クランク軸の第１の端面からクランク軸の軸線方向の中央位置へと延び、かつ第１の円筒カム部と同じ方向に偏心して配置され、第２の偏心穴は、クランク軸の第２の端面からクランク軸の軸線方向の中央位置へと延び、かつ第２の円筒カム部と同じ方向に偏心して配置されるとともに、前記クランク軸の両端面にそれぞれ設けられ、前記第１及び第２の偏心穴の開口周縁に設けられる軸端部面取りと、前記第１及び第２の偏心穴の連通部に設けられ、前記第１の円筒カム部に近接する部分と前記第２の円筒カム部に近接する部分とにそれぞれ傾斜面として設けられる連通部面取りと、を備え、前記クランク軸の軸線と直交する軸線周りにおいて、前記軸端部面取りによる偶力と前記連通部面取りによる偶力とが均衡するよう、前記軸端部面取り及び前記連通部面取りが設定されている。

この構成によれば、第１及び第２の円筒カム部は、クランク軸周りに１８０度だけ位相をずらして配置されている。このため、クランク軸に作用する遠心力による並進力が低減される。また、第１及び第２の偏心穴により、クランク軸に作用する遠心力による偶力のモーメントを小さくすることもできる。このように、並進力及び偶力のモーメントの双方が低減されるため、クランク軸を支持する軸受に作用する変動荷重を低減することができる。従って、軸受の寿命が長くなる。また、減速機に生じる振動を抑制することもできる。

この構成によれば、軸端部面取りがクランク軸の両端面にそれぞれ設けられている。このため、偶力の腕の長さを最長にすることができる。よって、クランク軸の軸線と直交する軸線周りに偶力が生じる場合、そのバランスを取るための調整量を小さく抑えることができる。

また、上記の偏心揺動型減速機は、クランク軸の両端面にそれぞれ設けられ、第１及び第２の偏心穴の開口周縁に設けられる軸端部面取りと、第１及び第２の偏心穴の連通部に設けられ、第１の円筒カム部に近接する部分と第２の円筒カム部に近接する部分とにそれぞれ傾斜面として設けられる連通部面取りと、を備える。そして、クランク軸の軸線と直交する軸線周りにおいて、上記軸端部面取りによる偶力と上記連通部面取りによる偶力とが均衡するよう、軸端部面取り及び連通部面取りが設定されている。

この構成によれば、特別な工程を付加することなく、面取り工程での面取り量を増減することで、クランク軸の回転バランスを微調整することができる。

本発明の一実施形態に係る偏心揺動型減速機の縦断面図（図４の１−１線に沿った断面図）。 クランク軸の縦断面図（図３の２−２線に沿った断面図）。 図２の３−３線に沿った断面図。 図１の４−４線に沿った断面図。 偏心揺動型減速機の偏心穴に配線を通した状態を示す断面図。 （ａ）は中軸軸の状態のクランク軸の縦断面図、（ｂ）は中軸軸の状態のクランク軸の右側面図。 （ａ）は中実部材の正面図、（ｂ）は中実部材の右側面図。 （ａ）は連通部面取りを有しないクランク軸の縦断面図、（ｂ）は連通部面取りによる偶力を説明するためのモデル図。 （ａ）はクランク軸の両端部に面取りを有しないクランク軸の縦断面図、（ｂ）はクランク軸の両端部の面取りによる偶力を説明するためのモデル図。 （ａ）は他の実施形態に係るクランク軸の左端を示す縦断面図、（ｂ）はクランク軸の右端を示す縦断面図。 （ａ）は他の実施形態に係るクランク軸の縦断面図、（ｂ）は図１１（ａ）の１１ｂ−１１ｂ線に沿った断面図、（ｃ）は図１１（ａ）の１１ｃ−１１ｃ線に沿った断面図。

以下、本発明の偏心揺動型減速機をロボットアームの関節部に用いた一実施形態について、図１〜図９（ａ），（ｂ）に基づき説明する。

＜減速機の構成＞
図１に示すように、偏心揺動型の減速機１は、第１アーム４１と、第２アーム４２との間に設けられている。減速機１は、筒状のハウジング２、及び一対の側板４，８を備えている。ハウジング２は、第１アーム４１に固定されている。側板４は、第１アーム４１に面するハウジング２の端部に対し、軸受１０を介して回転自在に支持されている。側板８は、第２アーム４２に面するハウジング２の端部に対し、軸受１４を介して回転自在に支持されている。ハウジング２の中心部には、２つの側板４，８を介して、クランク軸３が支持されている。側板４には、軸受１１が保持されている。側板８には、軸受１５が保持されている。クランク軸３は、両軸受１１，１５を介して、両側板４，８に対し回転自在に支持されている。

クランク軸３の中央には、円筒状の２つのカム部３１，３２が一体形成されている。図２に示すように、各カム部３１，３２は、クランク軸３の回転軸心ａ_１から偏心量ｅ_１だけ偏心してそれぞれ配置されている。カム部３１は、回転軸心ａ_１に対し、カム部３２とは反対方向（図１中の上下方向）に偏心して配置されている。図３に示すように、カム部３１は、クランク軸３の回転軸心ａ_１周りに、カム部３２から１８０度だけ位相をずらして配置されている。図３中、カム部３１は、回転軸心ａ_１に対して上方にずれて配置されている。カム部３２は、回転軸心ａ_１に対して下方にずれて配置されている。

図１に示すように、カム部３１の外周面には、外歯歯車５が、軸受１２を介して回転自在に支持されている。カム部３２の外周面には、外歯歯車６が、軸受１３を介して回転自在に支持されている。図４に示すように、外歯歯車５には、複数の貫通穴５１が形成されている。外歯歯車６には、複数の貫通穴６１が形成されている。各貫通穴５１は、クランク軸３の回転軸心ａ_１から偏心量ｅ_１だけ偏心した外歯歯車５の回転軸心周りに、等間隔を置いてそれぞれ配置されている。また、各貫通穴６１は、クランク軸３の回転軸心ａ_１から偏心量ｅ_１だけ偏心した外歯歯車６の回転軸心周りに、等間隔を置いてそれぞれ配置されている。貫通穴５１，６１の各軸線は、クランク軸３の回転軸心ａ_１と平行である。

図１に示すように、側板４は、複数の出力ピン７を保持している。出力ピン７の数は、貫通穴５１，６１の数と同じである。図４に示すように、各出力ピン７は、クランク軸３の回転軸心ａ_１周りに等間隔でそれぞれ配置されている。図１に示すように、各出力ピン７の軸線も、クランク軸３の回転軸心ａ_１と平行である。各出力ピン７は、外歯歯車５，６の貫通穴５１，６１を貫通している。各出力ピン７の先端面は、側板８の内面に当接されている。側板８には、ボルト１６が、外方から挿入されている。各出力ピン７は、ボルト１６により締め付けられことで、側板８に対し固定されている。

図４に示すように、ハウジング２の内周面には、内歯車２１が形成されている。図４の二点鎖線で示すように、外歯歯車５，６は、内歯車２１と１箇所で噛合するようなピッチ円径を有している。クランク軸３の回転に伴い、外歯歯車５，６は、内歯車２１と噛合しながら、クランク軸３の回転軸心ａ_１周りをそれぞれ公転する。外歯歯車５，６の公転半径は、クランク軸３の回転軸心ａ_１からの偏心量ｅ_１と一致する。貫通穴５１、６１の内径ｄは、次式（１）により示される。外歯歯車５は、貫通穴５１の内周面を出力ピン７の外周面に常時接触させながら回転する。外歯歯車６も、貫通穴６１の内周面を出力ピン７の外周面に常時接触させながら回転する
ｄ＝２・ｅ_１＋Ｄ …（１）
ｅ_１はカム部３１，３２の偏心量であり、Ｄは出力ピン７の外径である。

図１に示すように、モータ４０は、ロータ４０１及びステータ４０２からなる。ロータ４０１は、第１アーム４１に面するクランク軸３の端部に固定されている。ステータ４０２は、第１アーム４１においてハウジング２との連結部分（連結部）に固定されている。ステータ４０２は、クランク軸３の回転軸心ａ_１と同軸に配置されている。クランク軸３は、ステータ４０２に電流を流すことによって回転する。側板８の外面には、第２アーム４２が固定されている。第２アーム４２は、側板８の回転に伴い、第２アーム４２の軸線周りに旋回する。このとき、モータ４０の回転運動が減速機１により減速された旋回速度で、第２アーム４２は、第１アーム４１に対し旋廻する。

＜クランク軸＞
次に、クランク軸３の形状について詳細に説明する。

図２に示すように、クランク軸３は、前述した２つのカム部３１，３２に加え、円筒部３８を備えている。円筒部３８の中心は、クランク軸３の回転軸心ａ_１と一致する。カム部３１は、カム部３２に対し、回転軸心ａ_１に沿って間隔Ｌ_２だけ離れて配置されている。カム部３１，３２は、同じ幅Ｌ_１、外径Ｄ_１を有している。クランク軸３の内部には、互いに連通する２つの偏心穴３６，３７が形成されている。各偏心穴３６，３７は、回転軸心ａ_１に沿ってそれぞれ延びている。

図２の右側に示すように、偏心穴３６は、第１アーム４１に面するクランク軸３の軸端ｆ（第１の端面）から、クランク軸３の軸線に沿って、クランク軸３の中央位置１００まで延びている。偏心穴３６は、軸端ｆを基準とした長さＬ_３を有している。偏心穴３６は、回転軸心ａ_１に対して、カム部３１と同じ方向（図２の上方）に偏心量ｅ_２だけ偏心して配置されている。偏心穴３６の内径は、内径ｄ_１として示されている。

図２の左側に示すように、偏心穴３７は、第２アーム４２に面するクランク軸３の軸端ｇ（第２の端面）から、クランク軸３の軸線に沿って、中央位置１００まで延びている。偏心穴３７は、軸端ｇを基準とした長さＬ_３を有している。つまり、偏心穴３７の長さは、偏心穴３６の長さと同じである。偏心穴３７は、回転軸心ａ_１に対して、カム部３２と同じ方向（図２中の下方）に偏心量ｅ_２だけ偏心して配置されている。偏心穴３７の内径は、内径ｄ_１として示されている。偏心穴３７の内径も、偏心穴３６の内径と同じである。

クランク軸３の軸端ｆには、偏心穴３６の開口縁の全周に亘って、面取り３４が形成されている。同様に、クランク軸３の軸端ｇにも、偏心穴３７の開口縁の全周に亘って、面取り３５が形成されている。偏心穴３６と偏心穴３７との連通部には、連通部面取り３３が形成されている。連通部面取り３３は、クランク軸３の内周面において、カム部３１に近接する部分（図２の上部）と、カム部３２に近接する部分（図２の下部）とにそれぞれ形成されている。上側の連通部面取り３３は傾斜面であり、中央位置１００から軸端ｇへ向かうに従い偏心穴３７の内周面に接近するよう傾斜している。下側の連通部面取り３３も傾斜面であり、中央位置１００から軸端ｆへ向かうに従い偏心穴３６の内周面に接近するよう傾斜している。

クランク軸３の各部の寸法は、次式（２）の関係を満たしている。

ｅ_１・Ｄ_１ ^２・Ｌ_１（Ｌ_１＋Ｌ_２）＝ｅ_２・ｄ_１ ^２・Ｌ_３ ^２ …（２）
ｅ_１はカム部３１，３２の偏心量、Ｄ_１はカム部３１，３２の外径、Ｌ_１はカム部３１，３２の幅、Ｌ_２はカム部３１，３２の間隔である。ｅ_２は偏心穴３６，３７の偏心量、ｄ_１は偏心穴３６，３７の内径、Ｌ_３は偏心穴３６，３７の長さである。

＜外歯歯車の動作＞
次に、２つの外歯歯車５，６の動作について説明する。

図４に示すように、クランク軸３が回転すると、外歯歯車５は、ハウジング２の内歯車２１と噛合しながら、クランク軸３の回転軸心ａ_１周りを公転する。このとき、外歯歯車５の歯数をＺ_１、内歯車２１の歯数をＺ_２とすると、外歯歯車５は、クランク軸３が１回転する毎に、Ｚ_２−Ｚ_１で表される歯数の差だけ、クランク軸３に対して回転する。つまり、外歯歯車５は、ハウジング２に対して偏心量ｅ_１を半径とする円の軌道に沿って１回転だけ公転すると共に、（Ｚ_２−Ｚ_１）／Ｚ_１回転だけ自転する。外歯歯車５の自転運動は、貫通穴５１と出力ピン７との接触部を介して、出力軸である側板４，８に伝達される。外歯歯車５と同様に、外歯歯車６の自転運動も、貫通穴６１と出力ピン７との接触部を介して、側板４，８に伝達される。本実施形態において、側板４，８は、外歯歯車５，６の自転運動と連動するキャリヤを構成する。

例えば、ロボットアームの関節部には、駆動装置が取り付けられている。このような駆動装置には、軽量であること、及び高トルク出力であることが求められる。この場合、小型の駆動モータを高速で回転させ、その回転を大きな減速比で減速させて高トルクを出力可能な偏心揺動型の減速機１が有効である。この種の減速機１では、入力軸であるクランク軸３が高速で回転する。このため、クランク軸３にアンバランスな部分が存在すると、遠心力による変動荷重が軸受１１，１５に作用する。この変動荷重を低減するには、高精度にクランク軸３のバランスを取る必要がある。

＜クランク軸のバランス取り＞
次に、クランク軸３のバランス取りについて詳細に説明する。まず、クランク軸３を中実軸とした場合について検討する。

図６（ａ）に示すように、クランク軸３が中実軸である場合（偏心穴３６，３７が無い場合）、クランク軸３に作用する遠心力Ｆ_ｃは次式（３）で表される。

Ｆ_ｃ＝Ｍ_ｃ・ｅ_１・ω^２…（３）
Ｍ_ｃはカム部３１，３２の質量、ｅ_１はカム部３１，３２の偏心量、ωはカム部３１，３２の回転速度である。２つのカム部３１，３２の偏心量ｅ_１，ｅ_１、及び質量Ｍ_ｃ，Ｍ_ｃはそれぞれ同じである。

また、質量Ｍ_ｃは次式（４）で表される。

Ｍ_ｃ＝ρ・π・Ｄ_１ ^２・Ｌ_１／４ …（４）
ρは中実軸とした場合のクランク軸３の密度、Ｄ_１はカム部３１，３２の外径、Ｌ_１はカム部３１，３２の幅である。

従って、式（４）を式（３）に適用すると、遠心力Ｆ_ｃは次式（５）で表される。

Ｆ_ｃ＝ρ・π・Ｄ_１ ^２・Ｌ_１・ｅ_１・ω^２／４ …（５）
前述したように、カム部３１，３２は、図６（ｂ）に示すように、カム部３１は、クランク軸３の回転軸心ａ_１の周りに、カム部３２から１８０度だけ位相をずらして配置されている。このため、カム部３１による遠心力Ｆ_ｃも、クランク軸３の回転軸心ａ_１の周りに、カム部３２による遠心力Ｆ_ｃから１８０度だけ位相をずらして作用する。即ち、カム部３１による遠心力Ｆ_ｃは、カム部３２による遠心力Ｆ_ｃとは反対方向に作用する。図６（ａ），（ｂ）の状態では、カム部３１による上向きの遠心力Ｆ_ｃと、カム部３２による下向きの遠心力Ｆ_ｃとがそれぞれクランク軸３に対し作用している。

図６（ａ）に示すように、カム部３１，３２による遠心力Ｆ_ｃ，Ｆ_ｃの各作用点は、クランク軸３の回転軸心ａ_１上にそれぞれ配置されている。カム部３１による遠心力Ｆ_ｃの作用点は、カム部３１の軸方向の中央と対応して配置されている。カム部３２による遠心力Ｆ_ｃの作用点は、カム部３２の軸方向の中央と対応して配置されている。前述したように、カム部３１，３２は、クランク軸３の軸方向に沿って間隔Ｌ_２だけ離れて配置されている。このため、カム部３１，３２による遠心力Ｆ_ｃ，Ｆ_ｃの作用点は、距離Ｌ_１＋Ｌ_２（＝Ｌ_１／２＋Ｌ_２＋Ｌ_１／２）だけ離れている。即ち、カム部３１，３２による遠心力Ｆ_ｃ，Ｆ_ｃは、距離Ｌ_１＋Ｌ_２だけ離れた２つの作用点にそれぞれ反対方向に、かつ等しい大きさで作用する集中荷重と等しい。

このため、クランク軸３に作用する並進力は相殺される。並進力とは、クランク軸３を回転軸心ａ_１と直交する方向へ直線的に移動させる力を意味する。例えば、図６（ａ），（ｂ）は、２つのカム部３１，３２が上下方向に沿って反対側に配置されている状態を示す。この状態では、図６（ｂ）に示すように、クランク軸３を軸方向から見たとき、カム部３１，３２による遠心力Ｆ_ｃ，Ｆ_ｃは、クランク軸３の重心、即ち同図に示す回転軸心ａ_１に作用する。このとき、カム部３１による遠心力Ｆ_ｃは、クランク軸３を上方へ並進させる並進力として作用する。カム部３２による遠心力Ｆ_ｃは、クランク軸３を下方へ並進させる並進力として作用する。前述したように、カム部３１，３２による遠心力Ｆ_ｃ，Ｆ_ｃはそれぞれ反対方向に、かつ等しい大きさで作用するため、クランク軸３に作用する並進力は差し引きゼロとなる。この場合、クランク軸３の回転軸心ａ_１周りの力のモーメントは釣り合っている。このため、回転軸心ａ_１周りのアンバランスは解消される。

しかしながら、クランク軸３をカム部３１，３２の偏心方向（図６（ｂ）の上下方向）と直交する方向、即ちクランク軸３を図６（ｂ）の左右方向から見たとき、図６（ａ）に示すように、カム部３１，３２による遠心力Ｆ_ｃ，Ｆ_ｃは、クランク軸３に対する偶力として作用する。このため、クランク軸３には、図６（ａ）中の左回転方向へ大きさＦ_ｃ・（Ｌ_１＋Ｌ_２）の偶力のモーメントが作用する。本実施形態では、偶力のモーメントを抑制するため、クランク軸３に偏心穴３６，３７が形成されている。

偏心穴３６，３７がクランク軸３の遠心力に与える効果は、偏心穴３６，３７の形状に合致した中実部材に作用する遠心力の効果を差引くことと等価である。中実部材７１に作用する遠心力の効果は次の通りである。偏心穴３６，３７は、回転軸心ａ_１から同じ偏心量ｅ_２だけ偏心してそれぞれ配置されている。このため、図７（ａ）に示すように、中実部材７１の偏心穴３６に対応する第１の部分７２、及び偏心穴３７に対応する第２の部分７３も、回転軸心ａ_１に対して同じ偏心量ｅ_２だけ偏心してそれぞれ配置されている。また、第１及び第２の部分７２，７３の質量Ｍ_ｈも同じである。このため、第１及び第２の部分７２，７３による遠心力Ｆ_ｈは、次式（６）用いて表される。

Ｆ_ｈ＝Ｍ_ｈ・ｅ_２・ω^２…（６）
Ｍ_ｈは第１及び第２の部分７２，７３の質量、ｅ_２は第１及び第２の部分７２，７３の回転軸心ａ_１に対する偏心量、ωは回転速度である。

また、質量は次式（７）で表される。

Ｍ_ｈ＝ρ・π・ｄ_１ ^２・Ｌ_３／４ …（７）
ρは中実部材の密度である。ｄ_１は、偏心穴３６の内径（ここでは、第１及び第２の部分７２，７３の外径）である。Ｌ_３は、偏心穴３６，３７の回転軸心ａ_１に沿った長さ（ここでは、第１及び第２の部分７２，７３の長さ）である。

従って、式（７）を式（６）に適用すると、第１及び第２の部分７２，７３による遠心力Ｆ_ｈは、次式（８）で表される。

Ｆ_ｈ＝ρ・π・ｄ_１ ^２・Ｌ_３・ｅ_２・ω^２／４ …（８）
前述したように、偏心穴３６，３７は、回転軸心ａ_１周りに互いに１８０度だけ位相をずらして配置されている。このため、図７（ｂ）に示すように、第１及び第２の部分７２，７３も、回転軸心ａ_１周りに互いに１８０度だけ位相をずらして配置されている。また、偏心穴３６，３７は、それらの軸方向に隣接すると共に互いに連通している、このため、第１及び第２の部分７２，７３も、回転軸心ａ_１に沿って互いに連結された形状を有している。

図７（ａ）に示すように、第１及び第２の部分７２，７３による遠心力Ｆ_ｈ，Ｆ_ｈの各作用点は、クランク軸３の回転軸心ａ_１上にそれぞれ配置されている。第１の部分７２による遠心力Ｆ_ｈの作用点は、第１の部分７２の軸方向の中央に対応して配置されている。第２の部分７３による遠心力Ｆ_ｈの作用点は、第２の部分７３の軸方向の中央に対応して配置されている。このため、第１及び第２の部分７２，７３による遠心力Ｆ_ｈ，Ｆ_ｈの作用点は、長さＬ_３（＝Ｌ_３／２＋Ｌ_３／２）だけ離れている。即ち、第１及び第２の部分７２，７３による遠心力Ｆ_ｈ，Ｆ_ｈは、長さＬ_３だけ離れた２つの作用点にそれぞれ反対方向に、かつ等しい大きさで作用する集中荷重と等しい。このため、前述したカム部３１，３２と同様に、中実部材７１を軸方向から見たとき、中実部材７１に作用する並進力は相殺される。即ち、図７（ｂ）に示すように、上方に作用する遠心力Ｆ_ｈと下方に作用する遠心力Ｆ_ｈとは相殺される。

しかしながら、中実部材７１を第１及び第２の部分７２，７３の偏心方向と直交する方向から見たとき、第１及び第２の部分７２，７３にそれぞれ作用する遠心力Ｆ_ｈ，Ｆ_ｈは、図７（ａ）に示すように、中実部材７１に対する偶力として作用する。即ち、中実部材７１には、図７（ａ）中の左回転方向へ大きさＦ_ｈ・Ｌ_３の偶力のモーメントが作用する。従って、偏心穴３６，３７がクランク軸３の遠心力に与える効果は、図２中の左回転方向へ向けた−Ｆ_ｈ・Ｌ_３の偶力のモーメントとなる。

従って、２つの偏心穴３６，３７を有するクランク軸３に作用する遠心力の効果は、次の通りである。まず、クランク軸３を軸方向から見たとき、図３の上方に作用する遠心力と下方に作用する遠心力とは相殺される。このため、クランク軸３に並進力は作用しない。次に、図２に示すように、クランク軸３をカム部３１，３２の偏心方向と直交する方向から見たとき、クランク軸３には、次式（９）で表される大きさの偶力のモーメントが図２中の左回転方向へ作用する。

偶力のモーメント＝Ｆ_ｃ・（Ｌ_１＋Ｌ_２）−Ｆ_ｈ・Ｌ_３ …（９）
式（９）に式（５）及び式（８）をそれぞれ適用すると、クランク軸３に作用する偶力のモーメントは、次式（１０）で表される。

偶力のモーメント＝
｛Ｄ_１ ^２・Ｌ_１・（Ｌ_１＋Ｌ_２）・ｅ_１−ｄ_１ ^２・Ｌ_３ ^２・ｅ_２｝・ρ・π・ω^２／４ …（１０）
クランク軸３の各部の寸法は、前述した式（２）の関係式を満足するように設定されている。式（１０）に式（２）を適用すると、偶力のモーメントは０になることが分かる。

実際には、次式（１１）で表される外歯歯車５，６の遠心力Ｆ′を考慮する必要がある。この遠心力Ｆ′を考慮する場合、式（９）は次式（１２）となる。

Ｆ′＝ｍ′ｅ_１ω^２ …（１１）
ただし、ｍ′は外歯歯車５，６の質量である。

（Ｆ_ｃ＋Ｆ′）・（Ｌ_１＋Ｌ_２）−Ｆ_ｈ・Ｌ_３ …（１２）
＜面取りによる偶力＞
ここで、連通部面取り３３により、クランク軸３には、図２の左回りに偶力が作用する。しかしながら、軸端部の面取り３４，３５により、クランク軸３には、右回りの偶力が作用する。このため、連通部面取り３３による左回りの偶力と面取り３４，３５による右回りの偶力とを相殺させることができる。以下、連通部面取り３３及び面取り３４，３５がクランク軸３の偶力のモーメントに与える効果について詳細に説明する。

まず、連通部面取り３３による偶力のモーメントについて説明する。

図８（ａ）に示すように、連通部面取り３３が存在しない状態を想定する。即ち、連通部面取り３３を形成する際に除去される２つの角部８１，８１が存在している状態を想定する。図８（ｂ）に示すように、２つの角部８１，８１は、２つの重り８２，８２を回転軸心ａ_１に一致する軸８３に連結したモデルとして表すことができる。このモデルを用いて、２つの重り８２，８２を、軸８３（回転軸心ａ_１）を中心に回転させる。２つの重り８２，８２が上下方向の反対側に配置されたとき、２つの重り８２，８２にそれぞれ作用する遠心力によって、右回りの偶力のモーメントが発生する。

これに対して、図２に示すように連通部面取り３３が存在する状態は、図８（ｂ）に示すモデルから２つの重り８２，８２が省略された状態と一致する。この状態では、遠心力、ひいては偶力のモーメントが作用しない。従って、連通部面取り３３，３３を設けることで、クランク軸３に作用する右回りの偶力のモーメントを打ち消すことができる。換言すると、クランク軸３に左回りの偶力のモーメントを作用させることができる。

次に、軸端部の面取り３４，３５による偶力のモーメントについて説明する。

図９（ａ）に示すように、軸端部の面取り３４，３５が存在しない状態を想定する。即ち、面取り３４，３５を形成する際に除去される２つのリング状の部材８４，８４が存在している状態を想定する。図９（ｂ）に示すように、２つの部材８４，８４は、２つのリング状の重り８５，８５を回転軸心ａ_１に一致する軸８６の両端にそれぞれ連結したモデルとして表すことができる。このモデルを用いて、２つの重り８５，８５を、軸８６（回転軸心ａ_１）を中心に回転させる。２つの重り８５，８５が上下方向に偏心して配置されたとき、２つの重り８５，８５による遠心力は上下方向の反対側にそれぞれ作用する。このとき、２つの重り８５，８５による遠心力によって、左回りの偶力のモーメントが発生する。

これに対して、図２に示すように面取り３４，３５が存在する状態は、図９（ｂ）に示すモデルから２つの重り８５，８５が省略された状態と一致する。この状態では、遠心力、ひいては偶力のモーメントは作用しない。従って、面取り３４，３５を設けることで、クランク軸３に作用する左回りの偶力のモーメントを打ち消すことができる。換言すれば、クランク軸３に右回りの偶力のモーメントを作用させることになる。

本実施形態によれば、連通部面取り３３による左回りの偶力と面取り３４，３５による右回りの偶力とが均衡するように、連通部面取り３３及び面取り３４，３５が設けられている。これにより、連通部面取り３３による左回りの偶力と面取り３４，３５による右回りの偶力とを相殺させることが可能となる。よって、クランク軸３の面取り３４，３５は、クランク軸３の重量バランスを微調節するための軸端バランス調整部として機能する。

＜クランク軸の重量バランスの調整＞
次に、クランク軸の重量バランスの調整について説明する。

前述したように、偏心穴３６，３７、連通部面取り３３、及び軸端部の面取り３４，３５を所定の形状にすることにより、原理的には、クランク軸３のアンバランスを無くすことはできる。しかしながら、クランク軸３の各部の形状誤差に起因するアンバランスが残る虞がある。そこで、このアンバランスの量を計測した後、計測されたアンバランス量に基づき、面取り３４，３５をバイトなどの切削工具により旋削する。こうして、図２に示す面取り３４，３５の深さＬ_４，Ｌ_５をそれぞれ適切な値とすることにより、クランク軸３のアンバランスの量を所望の値以下に容易に抑えることができる。

＜配線の挿通＞
図５は、減速機１をロボットアームの関節部に用いた場合において、クランク軸３内に配線を通した例を示す。クランク軸３の内部に配線を通す際には、まず第１アーム４１に減速機１を固定する。次に、筒状のガイド部５０２をクランク軸３に接触しないように挿入する。第１アーム４１に面するガイド部５０２の端部には、配線ブラケット５０１が取り付けられている。配線ブラケット５０１を、第１アーム４１の内部に固定する。そして、配線ブラケット５０１を介して第１アーム４１に固定されたガイド部５０２内に、配線５００を通す。このとき、偏心穴３６と偏心穴３７との連通部分には、連通部面取り３３が設けられている。このため、偏心穴３６，３７の偏心による段差に配線５００が引っ掛かることはない。このため、配線５００のガイド部５０２に対する挿入作業、ひいてはロボットアームの関節部を円滑に組み立てることができる。第２アーム４２の先端に設けられる図示しないハンドには、電流が配線５００を通じて供給される。

＜実施の形態の効果＞
従って、本実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。

（１）２つの偏心穴３６，３７を設けることにより、クランク軸３の回転時のアンバランスを低減することができる。ひいては、クランク軸３を支持する軸受１１，１５に作用する変動荷重を低減することもできる。このため、減速機１の軸受の寿命を長くすることができる。また、クランク軸３の回転時のアンバランスに起因する減速機１の振動の発生を抑制することもできる。

クランク軸３に偏心穴３６，３７を設けただけで、クランク軸３の回転時のアンバランス量の値、ひいてはクランク軸３を支持する軸受１１，１５に作用する変動荷重の値を、所望の値以下に容易に抑えることができる。また、減速機１の軸受の寿命を所望値より長くすることもでき、クランク軸３の回転時のアンバランスに起因する減速機１の振動を所望値より小さくすることもできる。

（２）クランク軸３の両端部には、軸端バランス調整部としての面取り３４，３５が設けられている。この場合、面取り３４，３５の面取り深さなどを調整することにより、クランク軸３の偶力のモーメントを調節できる。また、面取り３４，３５をクランク軸３の両端に設けることで、偶力の腕の長さを最長にすることもできる。よって、クランク軸３の軸線に直交する軸線周りに偶力が生じる場合、そのバランスを取るための調整量を小さく抑えることができる。

（３）クランク軸３の両端部における面取り３４，３５を利用して、クランク軸３の偶力のバランスを調整するようにした。このため、特別な工程を付加することなく、面取り工程における面取り量を増減することで、クランク軸３の回転バランスを微調整することができる。

（４）減速機１の軸受１１，１５の寿命が長くなる。これに伴い、減速機１を用いたロボット等の製品寿命も長くなる。また、振動が少なくなるため、第２アーム４２又はハンドの位置を精度良く決めることができる。

（５）配線又は配管を、減速機１に形成された２つの偏心穴３６，３７に通すことができる。このため、減速機１又はロボットアームのための配線スペースを小さくすることができる。従って、配線等により外部からロボットの動きが干渉されることはない。

（６）２つの偏心穴３６，３７の連通部分（段差部分）には、連通部面取り３３，３３が設けられている。このため、配線５０の挿入作業が簡単になる。

＜他の実施の形態＞
本実施形態は、次のように変更してもよい。

・本実施形態において、面取り３４，３５の深さＬ_４，Ｌ_５を増減させることにより、クランク軸３のアンバランス量を微調整したが、次のように変更してもよい。例えば、図１０（ａ）に示すように、クランク軸３の少なくとも一方の端部に追加の穴８７を加工したり、図１０（ｂ）に示すように、バランス重り８８を付加したりしてもよい。また、穴８７及びバランス重り８８の双方により、クランク軸３のバランスを調整してもよい。また、クランク軸３の端部ではなく、円筒部３８の周面を部分的に除去することにより、バランスを調整してもよい。この場合、穴８７及びバランス重り８８が軸端バランス調整部として機能する。

クランク軸３の偶力のバランス調整に穴８７を用いた場合、クランク軸３の組付けが終了した後でも、穴８７の数、深さ、径を増減することにより、クランク軸３の回転バランスを微調整することができる。クランク軸３の偶力のバランス調整にバランス重り８８を用いた場合、クランク軸３の組付けが終了した後でも、バランス重り８８の数又は重量を増減すれば、クランク軸３の回転バランスを微調整することができる。

・本実施形態において、２つの偏心穴３６，３７を設けたが、次のように変更してもよい。即ち、図１１（ａ）に示すように、クランク軸３には、回転軸心ａ_１に沿って貫通する穴９１が形成されている。穴９１の内周面からクランク軸３の一部を除去することで、第１及び第２の凹部９２，９３が形成されている。第１及び第２の凹部９２，９３は、カム部３１，３２の偏心方向に沿って反対側にそれぞれ配置されている。即ち、第１及び第２の凹部９２，９３は、回転軸心ａ_１周りに１８０度だけ位相をずらしてそれぞれ配置されている。具体的には、図１１（ｂ）に示すように、第１の凹部９２は、クランク軸３の内周面においてカム部３１に近接して（図１１（ｂ）の上側）に配置されている。図１１（ｃ）に示すように、第２の凹部９３は、クランク軸３の内周面においてカム部３２に近接して（図１１（ｃ）中の下側）に配置されている。また、第１及び第２の凹部９２，９３は、回転軸心ａ_１周りに半周（１８０度の範囲）に亘り形成されている。図１１（ｂ）に示すように、第１の凹部９２は、上側の半周に亘り形成されている。図１１（ｃ）に示すように、第２の凹部９３は、下側の半周に亘り形成されている。更に、図１１（ａ）に示すように、第１及び第２の凹部９２，９３は、クランク軸３の軸線方向において異なる位置にそれぞれ形成されている。第１及び第２の凹部９２，９３は、凹部を設けない場合のクランク軸３に作用する偶力のモーメントを打ち消すように作用する。よって、クランク軸に作用する遠心力による偶力のモーメントが低減される。従って、クランク軸３の回転時におけるアンバランスが抑制される。

・本実施形態において、クランク軸３の各部の寸法を、必ずしも、式（２）満たすように設定する必要はない。この場合でも、偏心穴３６，３７による偶力のモーメントの低減効果は得られるため、クランク軸３に作用する偶力のモーメントが低減される。

・本実施形態において、偏心穴３６，３７の長さＬ_３は同じであったが、異なっていてもよい。この場合も、偏心穴３６，３７による偶力低減効果は得られる。

・クランク軸３から連通部面取り３３，３３を省略してもよい。この場合も、２つの偏心穴３６，３７による偶力低減効果は得られる。

・クランク軸３から面取り３４，３５を省略してもよい。この場合も２つの偏心穴３６，３７による偶力低減効果は得られる。

・本実施形態において、２つの側板４，８からなるキャリヤを出力軸としたが、内歯車２１（ハウジング２）を出力軸としてもよい。この場合、ハウジング２と第１アーム４１との連結、及び側板８と第２アーム４２との連結を解除する。そして、内歯車２１（ハウジング２）を第２アーム４２に連結する。

・本実施形態において、減速機１を、ロボットアームの関節部に適用したが、これに以外のものに適用してもよい。

Claims (1)

1. 内歯車と、前記内歯車と噛合する２枚の外歯歯車と、前記両外歯歯車を支持するクランク軸と、前記両外歯歯車の回転に連動して回転するキャリヤとを備え、前記クランク軸は、その軸線周りに１８０度だけ位相をずらしてかつ前記クランク軸の回転中心から偏心して配置された第１及び第２の円筒カム部を有し、前記両外歯歯車は、第１及び第２の円筒カム部によりそれぞれ回転可能にかつ内歯車の軸線周りに公転可能に支持され、前記キャリヤは、その軸線周りに等間隔に固定された複数の出力ピンを有し、前記各出力ピンは、前記両外歯歯車に設けられた複数の貫通穴と係合することにより前記両外歯歯車の自転運動と連動し、前記クランク軸を入力軸として前記内歯車及び前記キャリヤのいずれか一方を出力軸としてそれぞれ回転させる偏心揺動型減速機において、
   前記クランク軸は、その軸線方向に沿って延びると共に互いに連通する第１及び第２の偏心穴を有し、
   前記第１の偏心穴は、前記クランク軸の第１の端面から前記クランク軸の軸線方向の中央位置へと延び、かつ前記第１の円筒カム部と同じ方向に偏心して配置され、
   前記第２の偏心穴は、前記クランク軸の第２の端面から前記クランク軸の軸線方向の中央位置へと延び、かつ前記第２の円筒カム部と同じ方向に偏心して配置されるとともに、
   前記クランク軸の両端面にそれぞれ設けられ、前記第１及び第２の偏心穴の開口周縁に設けられる軸端部面取りと、
   前記第１及び第２の偏心穴の連通部に設けられ、前記第１の円筒カム部に近接する部分と前記第２の円筒カム部に近接する部分とにそれぞれ傾斜面として設けられる連通部面取りと、
   を備え、
   前記クランク軸の軸線と直交する軸線周りにおいて、前記軸端部面取りによる偶力と前記連通部面取りによる偶力とが均衡するよう、前記軸端部面取り及び前記連通部面取りが設定されている偏心揺動型減速機。

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