JP7160413B2 - 完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ及び多関節ロボット - Google Patents

Description

本発明は歯車伝動機構に関し、特に完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ及び多関節ロボットに関する。

遊星歯車伝動形態では、加工誤差及び組立誤差が存在するので、太陽歯車と遊星歯車の間、遊星歯車と内歯車の間に歯車バックラッシがあり、遊星歯車と遊星歯車軸の間に軸受遊びがある。逆方向バックラッシは、歯車バックラッシと軸受遊びによって引き起こされる。

また、減速機と駆動モータの接続構造は大きな組立誤差がある。

従来の遊星減速モータは、一般的に、半閉ループ制御を用い、入力端での駆動モータのモータ軸の回転位置しか検出できず、減速機の伝達精度とねじれ変形、逆方向バックラッシ等の要素を効果的に検出して補正することはできない。

従って、ある高い制御精度の必要がある場合、半閉ループ制御方式を用いて遊星減速モータを制御すると、通常の使用要件を満たすことができない。

背景技術における問題を解消するために、本発明は、締まり嵌めするようにモータ部と減速機部を接続するとともに、遊星キャリアの遊星穴のオフセット量の設計を提案し、且つ完全閉ループ制御の方式で、遊星減速モータの組立精度を向上させて、その制御精度を向上させる、完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータを提供する。

また、本発明は、該遊星減速モータを用いた多関節ロボットをさらに提供する。

本発明の具体的な技術案は以下のとおりである。

本発明は、モータハウジング、モータハウジング内に設けられた固定子、及び回転子を備えるモータ部と、内歯車ハウジング、内歯車ハウジング内に設けられたＳ（Ｓ≧１）段遊星減速機構、及び内歯車ハウジングの外部に外嵌された回転基体を備える遊星減速機部と、を備える、完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータであって、
伝動軸及び格子エンコーダを備える完全閉ループ制御装置をさらに備え、格子エンコーダは、モータハウジングの外部に位置し、モータハウジングの後端面に取り付けられ、
伝動軸は、一端がＳ段遊星減速機構の出力端に固定して接続され、他端がＳ段遊星減速機構の各段の太陽歯車、前記回転子及びモータハウジングを順に貫通した後、格子エンコーダの回転部分に接続され、
前記回転子は締まり嵌めするように遊星減速機の第１段遊星減速機構の太陽歯車に固定して接続され、前記モータハウジングの前端が減速機ハウジングとねじで直接固定され、
各段の遊星減速機構において、遊星キャリアの少なくとも２つの遊星穴は、遊星歯車の円周方向における配置位置に対して、円周方向のオフセット量を有し、オフセット量の存在により、逆方向バックラッシを減少し又は解消するための特定の内力が生成される、ことを特徴とする完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータを提案する。

さらに、好ましい配置形態では、遊星歯車群の遊星歯車は円周方向に均等に分布し、遊星キャリアにおいて、少なくとも２つの遊星穴は、遊星歯車の円周方向における均等な配置位置に対して円周方向のオフセット量を有する。

さらに、オフセット量について、遊星キャリアが異なる数の遊星穴を有する場合、隣接する遊星歯車の円周方向の夾角の組合せについては、
遊星穴の数をＮ（Ｎ≧２）とし、単位オフセット量をΔφと定義すると、
Ｎが偶数である場合、隣接する２つの遊星穴の円周方向の夾角の組合せは、Ｎ／２個｛（３６０／Ｎ）＋Δφ、（３６０／Ｎ）－Δφ｝であり、
Ｎが奇数であり、且つＮ＝２Ｍ＋１（Ｍ≧１）の場合、遊星キャリア上の隣接する２つの遊星穴の円周方向の夾角の組合せは、
Ａ：Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）＋Δφ、Ｍ－１個（３６０／Ｎ）－Δφ、１個（３６０／Ｎ）－２Δφであり、
Ｂ：Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）－Δφ、Ｍ－１個（３６０／Ｎ）＋Δφ、１個（３６０／Ｎ）＋２Δφであり、
Ｃ：Ｍ個（３６０／Ｎ）＋Δφ、Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）－（Ｍ／Ｍ＋１）Δφであり、
Ｄ：Ｍ個（３６０／Ｎ）－Δφ、Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）＋（Ｍ／Ｍ＋１）Δφである４つのケースがある。

さらに、上記Δφは、歯車バックラッシによる円周角変位量、軸受遊びによる円周角変位量、及び接触歯面の間のプリロードによる円周角変位量の３つの部分からなり、
その具体的な計算式は、Δφ＝Δφ₁＋Δφ₂＋Δφ₃であり、
式中、Δφ₁は歯車バックラッシによる円周角変位量であり、
Δφ₂は軸受遊びによる円周角変位量であり、
Δφ₃は接触歯面の間のプリロードによる円周角変位量である。

さらに、前記Δφ₁の具体的な計算式は、
Δφ₁＝（１／２ｒ_d）*（（Ｗ_st－Ｗ_sr）／ｃｏｓα_s＋２*（Ｗ_pt－Ｗ_pr）／ｃｏｓα_p＋（Ｗ_it－Ｗ_ir）／ｃｏｓα_i）
であり、
式中、ｒ_dは遊星穴分布円の半径、Ｗ_stは太陽歯車のバックラッシのない理論上の共通法線、Ｗ_srは太陽歯車の実測された共通法線、α_sは太陽歯車のピッチ円の圧力角、Ｗ_ptは遊星歯車のバックラッシのない理論上の共通法線、Ｗ_prは遊星歯車の実測された共通法線、α_pは遊星歯車のピッチ円の圧力角、Ｗ_itは内歯車ハウジングの内歯車のバックラッシのない理論上の共通法線、Ｗ_irは内歯車ハウジングの内歯車の実測された共通法線、α_iは内歯車ハウジングの内歯車のピッチ円の圧力角である。

さらに、前記Δφ₂の具体的な計算式は、Δφ₂＝ｅ_p／ｒ_dであり、式中、ｅ_pは軸受遊びであり、前記軸受は遊星歯車と遊星歯車軸の間に設けられている。

さらに、Δφ₃の具体的な計算式は、Δφ₃＝Ｔ*（η／ｋｒ_d）であり、ここで、Ｔは定格トルク、ηは可能な摩耗状況及び製造誤差に応じて得られる係数の値（値の範囲が０．１～０．２である）、ｋは遊星減速機構の剛性である。

さらに、遊星減速モータの軸方向のサイズを減少し、曲げ剛性を効果的に向上させるために、前記Ｓ段遊星減速機構の第１段遊星減速機構の太陽歯車を入力端とし、第Ｓ段遊星減速機構の遊星キャリアを出力端とし、
第Ｓ段遊星減速機構の遊星キャリアの外輪表面と内歯車ハウジングの内輪表面との間には、第１層軸受軌道が形成され、
内歯車ハウジングの外輪表面と回転基体の内輪表面との間には、第２層軸受軌道が形成され、
第１層軸受軌道内には、複数の鋼球が円周方向に沿って均等に係着され、第２層軸受軌道内には、複数の鋼球が円周方向に沿って均等に係着される。

さらに、使用中に、第Ｓ段遊星減速機構の遊星キャリアと回転基体はすべて下位構造に接続されて回転運動しなければならず、内歯車ハウジングはそのまま移動せず、従って、第１層軸受軌道と第２層軸受軌道の形状はすべてアンギュラ玉軸受の軸受軌道と同じであり、それにより、第Ｓ段遊星減速機構の遊星キャリアと内歯車ハウジングとの間、内歯車ハウジングと回転基体との間の軸方向の動きという問題を回避した。

さらに、遊星減速機の軸方向のサイズを減少し、各段の遊星減速機構の間の軸方向位置決めの信頼性を確保するために、各段の遊星減速構造において、太陽歯車の歯部は、その軸線方向に沿って高歯部と低歯部に分けられ、高歯部と低歯部は階段状歯を形成し、
ここでは、高歯部は、同じ段の遊星減速機構における遊星歯車群の遊星歯車のそれぞれと相互に噛み合い、低歯部は、前段の遊星減速機構における遊星キャリアと噛み合い、且つ階段状歯は前段の遊星減速機構を軸方向に位置決めするように設計される。

また、本発明は、少なくとも２つの関節肢を備える多関節ロボットをさらに提案し、２つの関節肢の間に上記の説明された遊星減速モータが設けられる。

本発明の有益な効果は以下のとおりである。
１、本発明は、太陽歯車が直接的に締まり嵌めするようにモータ回転子に固定して接続される方式を用いて、遊星減速機構の組立誤差を解消し、遊星キャリアの遊星穴のオフセット量を設計することにより、逆方向バックラッシを解消し、そして、減速機が出力した回転運動を一本の伝動軸によって格子エンコーダに伝達し、それにより、遊星減速モータの完全閉ループ制御を実現して、遊星減速モータの精度を大幅に向上させる。
２、本発明は、モータの回転子が遊星減速機の第１段遊星減速機構の太陽歯車に締まり嵌めされ、且つモータハウジングが減速機ハウジングとねじで直接的に接続されて取り付けられる方式を用い、キー接続、スプライン接続、又は他の接続方式を用いる場合の組立隙間による伝動誤差という問題をさらに回避するだけでなく、装置の体積を削減する。
３、本発明では、第Ｓ段遊星減速機構の遊星キャリアの外輪表面と内歯車ハウジングの内輪表面との間には、第１層軸受軌道が形成され、内歯車ハウジングの外輪表面と回転基体の内輪表面との間には、第２層軸受軌道が形成され、第１層軸受軌道と第２層軸受軌道のそれぞれには、複数の鋼球が円周方向に沿って均等に係着されるので、遊星減速モータの軸方向のサイズが大幅に縮小され、且つ該二層の軸受軌道及び鋼球の特別な設計により、半径方向のサイズを大幅に増加し、遊星減速モータの曲げ剛性を効果的に向上させる。
４、本発明は、使用際に、第Ｓ段遊星減速機構の遊星キャリアと回転基体はすべて下位構造に接続されて、回転運動しなければならず、内歯車ハウジングはそのまま移動せず、従って、第１層軸受軌道と第２層軸受軌道の形状をアンギュラ玉軸受の軸受軌道と同じであるように設定し、それにより、第Ｓ段遊星減速機構の遊星キャリアと内歯車ハウジングとの間、内歯車ハウジングと回転基体との間の軸方向の動きという問題を回避した。
５、本発明は、各段の太陽歯車には、高歯部と低歯部からなる階段状歯が設けられ、遊星減速機の軸方向のサイズを減少させるだけでなく、各段の遊星減速機構の間の軸方向位置決めの信頼性を確保する。

本発明の構造模式図である。 本発明の遊星減速機構の構造模式図である。 図２のＡ部の局所拡大模式図である。

以下、実施例を組み合わせて本発明を詳細に説明する。

実施例における遊星減速モータは、遊星減速機の逆方向バックラッシを解消して、遊星減速モータの精度を向上させることができる完全閉ループ制御装置を設計し、同時に、従来の遊星減速モータに比べて、該遊星減速モータの軸方向のサイズが縮小される。

上記高精度な遊星減速モータを多関節ロボットに適用すると、多関節ロボットの使用要件を満たすことができる。

実施例における遊星減速モータの基本構造
図１に示すように、遊星減速モータの接触構造は、モータハウジング１６、モータハウジング１６内に設けられた固定子１、及び回転子２を備えるモータ部と、内歯車ハウジング１５、内歯車ハウジング１５内に設けられたＳ（Ｓ＝３）段遊星減速機構を備える遊星減速機部と、を備え、
高速段太陽歯車３、高速段遊星歯車群４、高速段ピン軸５及び高速段遊星キャリア６は、第１段遊星減速機構を構成し、
中速段太陽歯車７、中速段遊星歯車群８、中速段ピン軸９、中速段遊星キャリア１０は、第２段遊星減速機構を構成し、
低速段太陽歯車１１、低速段遊星歯車群１２、低速段ピン軸１３、低速段遊星キャリア１４は、第３段遊星減速機構を構成し、
高速段太陽歯車３、高速段遊星歯車群４の遊星歯車、中速段太陽歯車７、中速段遊星歯車群８の遊星歯車、低速段太陽歯車１１、低速段遊星歯車群１２の遊星歯車は、すべて円筒形のインボリュート平歯車（外歯車）である。
内歯車ハウジング１５の内部には、内歯車がさらに設けられ、内歯車は円筒形のインボリュート平歯車である。
高速段遊星キャリア６、中速段遊星キャリア１０、低速段遊星キャリア１４は、回転構造であり、特定の半径で、少なくとも２つの遊星穴（本案では４つである）が円周方向に沿って開けられ、遊星穴の数は同じ段の遊星歯車の数に等しい。

実施例における遊星減速モータの最適設計

完全閉ループ制御装置及び逆方向バックラッシ
完全閉ループ制御装置は、伝動軸１９及び格子エンコーダ２０を備え、格子エンコーダ２０は、モータハウジング１６の外部に位置し、モータハウジング１６の後端面に取り付けられ、
伝動軸１９は、一端が三段遊星減速機構の出力端に固定して接続され（伝動軸の一端にはフランジが設けられ、伝動軸がねじで三段遊星減速機構の第３段遊星減速機構の遊星キャリアに固定される）、他端が三段遊星減速機構の各段の太陽歯車、前記回転子２及びモータハウジング１６を順に貫通した後、格子エンコーダ２０の回転部分に接続され、具体的な原理は、伝動軸１９は出力された回転角を格子エンコーダ２０に伝達し、格子エンコーダ２０は三段遊星減速機構の出力端のリアルタイム位置をモータの制御システムに伝達し、それにより完全閉ループ制御を実現する。
各段の遊星減速機構の遊星キャリアの少なくとも２つの遊星穴は、逆方向バックラッシが減少するように、遊星歯車の円周方向における配置位置に対して、円周方向のオフセット量を有する。

逆方向バックラッシなしの設計方法
遊星歯車群の遊星歯車は、円周方向に均等に分布してもよいし、不均等に分布してもよいが、遊星歯車のそれぞれがすべて内歯車ハウジング、太陽歯車と相互に噛み合うことを満たさなければならず、
本例では、遊星歯車が均等に分布しており、
遊星歯車群２をＩ、IIの２群に分ける。先ず、遊星歯車群を円周方向に沿って均等に分布するように組み立て、その後、Ｉ群の位置が変化せず、II群は円周方向に沿って小さな円周方向のオフセット量を加える。このオフセット量は遊星キャリアによって提供され、すなわち、遊星キャリアを加工するときに、Ｉ群の遊星歯車に対応する遊星穴は均等に分布し、II群の遊星歯車に対応する遊星穴は、均等に分布すると同時に円周接線方向に沿って小さな円周方向のオフセット量を有する。

オフセット量について、遊星キャリアが異なる数の遊星穴を有する場合、隣接する遊星穴の円周方向の夾角の組合せについては、
遊星穴の数をＮ（Ｎ≧２）とし、単位オフセット量をΔφと定義すると、
Ｎが偶数である場合、隣接する２つの遊星穴の円周方向の夾角の組合せは、Ｎ／２個｛（３６０／Ｎ）＋Δφ、（３６０／Ｎ）－Δφ｝であり、
Ｎが奇数であり、且つＮ＝２Ｍ＋１（Ｍ≧１）の場合、遊星キャリア上の隣接する２つの遊星穴の円周方向の夾角の組合せは、
Ａ：Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）＋Δφ、Ｍ－１個（３６０／Ｎ）－Δφ、１個（３６０／Ｎ）－２Δφであり、
Ｂ：Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）－Δφ、Ｍ－１個（３６０／Ｎ）＋Δφ、１個（３６０／Ｎ）＋２Δφであり、
Ｃ：Ｍ個（３６０／Ｎ）＋Δφ、Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）－（Ｍ／（Ｍ＋１）Δφであり、
Ｄ：Ｍ個（３６０／Ｎ）－Δφ、Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）＋（Ｍ／（Ｍ＋１）Δφである４つのケースがある。

例として、図２の各段の遊星減速機構は４つの遊星歯車を有し、遊星歯車（Ａ）２．１、遊星歯車（Ｃ）２．３はＩ群として、０°、１８０°の位置に分布しており、
遊星歯車（Ｂ）２．２、遊星歯車（Ｄ）２．４はII群として、（９０＋Δφ）°、（２７０＋Δφ）°の位置に分布している。この場合、遊星歯車（Ａ）２．１と遊星歯車（Ｂ）２．２の間、遊星歯車（Ｂ）２．２と遊星歯車（Ｃ）２．３の間、遊星歯車（Ｃ）２．３と遊星歯車（Ｄ）２．４の間、遊星歯車（Ｄ）２．４と遊星歯車（Ａ）２．１の間の円周方向の夾角は、それぞれ、（９０＋Δφ）°、（９０－Δφ）°、（９０＋Δφ）°、（９０－Δφ）°である。

表１は、遊星歯車の数が２～５である場合、隣接する遊星穴（すなわち、隣接する遊星歯車）の間の夾角の組合せ形式を示している。

以下では、例として、上記４つの遊星歯車の実施例における遊星歯車（Ａ）２．１、遊星歯車（Ｄ）２．４の力受け及び逆方向バックラッシの解消プロセスを分析する。

説明の便宜上、先ず図３に従って、単一の歯の左歯面及び右歯面を定義する。

時計回りに線を引き、最初に交差するのを左歯面とし、後に交差するのを右歯面とする。加工精度と組立の便利さのために、噛み合いの時、歯車は一般的に歯車バックラッシがある。図面中の遊星伝動装置がII群に小さな変位を加える前に、遊星歯車群と太陽歯車、遊星歯車群と内歯車ハウジングの内歯車の間の噛み合いはすべて歯車バックラッシを有する。

II群に円周角変位量Δφを加えた後、反時計回り方向に沿って、遊星キャリアは遊星歯車（Ｄ）２．４にプリロードを加え、プリロードにより、遊星歯車（Ｄ）２．４の右歯面と太陽歯車の右歯面の間、遊星歯車（Ｄ）２．４の左歯面と内歯車ハウジングの内歯車の左歯面の間の歯車バックラッシが解消される。

単位オフセット量Δφは２種の方式で取得され、
方式１：遊星歯車分布円の半径、遊星歯車の歯数とモジュール、及び定格トルクを配慮することにより、０．０５°～０．５°である単位オフセット量Δφの経験値を取得する。
方式２：理論計算の方式を使用し、その具体的な計算プロセスは、Δφ＝Δφ₁＋Δφ₂＋Δφ₃であり、
式中、Δφ₁は歯車バックラッシによる円周角変位量であり、その具体的な計算式は、
Δφ₁＝（１／２ｒ_d）*（（Ｗ_st－Ｗ_sr）／ｃｏｓα_s＋２*（Ｗ_pt－Ｗ_pr）／ｃｏｓα_p＋（Ｗ_it－Ｗ_ir）／ｃｏｓα_i）
であり、
式中、ｒ_dは遊星穴分布円の半径、Ｗ_stは太陽歯車のバックラッシのない理論上の共通法線、Ｗ_srは太陽歯車の実測された共通法線、α_sは太陽歯車のピッチ円の圧力角、Ｗ_ptは遊星歯車のバックラッシのない理論上の共通法線、Ｗ_prは遊星歯車の実測された共通法線、α_pは遊星歯車のピッチ円の圧力角、Ｗ_itは内歯車ハウジングの内歯車のバックラッシのない理論上の共通法線、Ｗ_irは内歯車ハウジングの内歯車の実測された共通法線、α_iは内歯車ハウジングの内歯車のピッチ円の圧力角であり、
Δφ₁の計算式は以下の理論から得られ、
Ａ：バックラッシのない場合の理論上の共通法線の長さから実測された共通法線の長さを引いたものは、単一歯車の法線バックラッシであり、次に歯車圧力角のｃｏｓ値で割って円周方向バックラッシを求め、
Ｂ：噛み合う２つの歯車の円周方向バックラッシの合計は噛み合いバックラッシであり、
Ｃ：それぞれ、太陽歯車と遊星歯車の間、及び遊星歯車と内歯車の間の噛み合いバックラッシを算出して、両者の平均値を取り、次に遊星歯車分布円の半径で割って、歯車バックラッシによる円周方向の変位量を求めた。

Δφ₂は軸受遊びによる円周角変位量であり、その具体的な計算式は、Δφ₂＝ｅ_p／ｒ_dであり、
式中、ｅ_pは軸受遊びであり、前記軸受は遊星歯車と遊星歯車軸の間に設けられている。

前のΔφ₁とΔφ₂はバックラッシの解消を確保し、つまり、一般的な状況で、対応する歯面が接触しているが、次の運動中の加速度及び歯面が摩耗した後に継続的に接触することを確保するために、接触している歯面の間のプリロードによる円周角変位量Δφ₃を提供しなければならず、その具体的な計算式は、Δφ₃＝Ｔ*（η／ｋｒ_d）であり、式中、Ｔは定格トルク、ηは可能な摩耗状況及び製造誤差に応じて得られる係数の値（値の範囲が０．１～０．２である）、ｋはシステムの総剛性であり（ここでは、システムは、遊星歯車、遊星キャリア、太陽歯車、内歯車ハウジングからなる密閉した力伝達システムであり、具体的には、遊星キャリアはプリロードＦを遊星歯車に伝達した後、隣接する２つの遊星歯車の間の距離はｘで変化し、両者の間の関係は、線形関係、すなわちｋ＝Ｆ／ｘ）にほぼフィッティングすることができる。

また、遊星キャリア４はプリロードを図面の時計回り方向に沿って遊星歯車（Ａ）２．１に加え、プリロードにより、遊星歯車（Ａ）２．１の左歯面と太陽歯車の左歯面の間、遊星歯車（Ａ）２．１の右歯面と内歯車ハウジングの内歯車の右歯面の間の歯車バックラッシは解消される。

遊星歯車（Ａ）２．１と遊星歯車（Ｄ）２．４はそれぞれ、遊星キャリアが加えた力を太陽歯車１と内歯車ハウジングの内歯車に伝達し、加えられた力は、大きさが同じで、方向が反対であり、相互に相殺される。

遊星歯車（Ａ）２．１と遊星歯車（Ｄ）２．４は、遊星キャリアに反力が作用し、２つの力は、大きさが同じで、方向が反対であり、相互に相殺される。

太陽歯車は上位構造が入力したトルクを受け取り（遊星キャリアを入力構造としてもよく、両者の一方は加速し、他方が減速する）、自転（時計回り方向に回転すると設定する）を開始すると、
遊星歯車（Ｄ）２．４の右歯面と太陽歯車の右歯面の間、遊星歯車（Ｄ）２．４の左歯面と内歯車ハウジングの内歯車の左歯面の間の歯車バックラッシが解消されるので、太陽歯車が回転するとき、遊星歯車（Ｄ）２．４はゼロバックラッシで伝動する。

また、遊星歯車（Ａ）２．１の右歯面と太陽歯車の右歯面の間、遊星歯車（Ａ）２．１の左歯面と内歯車ハウジングの内歯車の左歯面の間の歯車バックラッシが解消されないので、伝動するときに歯車バックラッシがある。しかしながら、プリロードの存在により、遊星歯車（Ａ）２．１の左歯面と太陽歯車の左歯面の間、遊星歯車（Ａ）２．１の右歯面と内歯車ハウジングの内歯車の右歯面の間にプリロードがあり、随時にバックラッシを解消するため、太陽歯車が回転するとき、遊星歯車（Ａ）２．１もゼロバックラッシで伝動する。

遊星歯車（Ｂ）２．２と遊星歯車（Ｃ）２．３の場合は、遊星歯車（Ａ）２．１と遊星歯車（Ｄ）２．４に類似するため、ここで、詳しく説明しない。

また、遊星キャリアはプリロードを遊星歯車軸及び軸受を介して遊星歯車群２に伝達するため、軸受が常に予圧状態にあり、それにより、軸受遊びは解消される。

遊星減速機とモータの一体式結合設計
完全閉ループ制御を行う場合、遊星減速機とモータに対して一体式結合設計を行う必要があり、具体的には、回転子２を第１段遊星減速機構の高速段太陽歯車３と直接的に差し込んで接続し、且つ、締まり嵌めするように一体に固定すると同時に、モータハウジング１６を内歯車ハウジング１５とねじで直接的に接続して取り付け、このような設計は、キー接続、スプライン接続、又は他の接続方式を用いる場合の組立隙間による伝動誤差という問題をさらに回避し、完全閉ループ制御の精度を確保するだけでなく、装置の体積を削減する。
また、本発明は、モータハウジング１６と内歯車ハウジング１５が一体鋳造により形成されてもよく、その後、主な嵌合部分の加工を行う方式を用い、内歯車ハウジング１５とモータハウジング１６を別々に加工した後の組立成形に引き起こされる加工と組立の誤差を回避し、それにより、減速モータの伝達精度をさらに確保する。

遊星減速機の出力端の二層自製軸受の設計
低速段遊星キャリア１４の外輪表面と内歯車ハウジング１５の内輪表面との間には、第１層軸受軌道２１が形成され、内歯車ハウジング１５の外輪表面と回転基体１６の内輪表面との間には、第２層軸受軌道２２が形成され、第１層軸受軌道２１と第２層軸受軌道２２内には、すべて複数の鋼球２３が円周方向に沿って係着される。
なお、１、第１層軸受軌道２１と第２層軸受軌道２２の形状はすべて従来のアンギュラ玉軸受の軸受軌道と同じである。
２、ある高速回転の場合、軸受全体の耐用年数を良好に確保するように、該軸受構造の第１層軸受軌道と鋼球の間、及び第２層軸受軌道と鋼球の間に、保持フレームを設けるべきである。

太陽歯車の特別な階段状歯の設計
該実施例では、遊星減速モータの各段の遊星減速機構における太陽歯車の外面が、階段状歯（階段状歯は高歯部と低歯部からなる）の構造として設計され、従来の隣接する二段の遊星歯車と太陽歯車が軸継ぎ手で伝動することに引き起こされる減速器の軸方向のサイズが大きいという問題を解決し、具体的な構造については、
高速段太陽歯車３の高歯部１７は高速段遊星歯車群４と噛み合い、高速段遊星歯車群４は内歯車ハウジング１５と噛み合い、高速段遊星歯車群４は高速段ピン軸５と軸受で嵌合され、高速段ピン軸５は高速段遊星キャリア６と嵌合され、高速段遊星キャリア６は中速段太陽歯車７の低歯部１８と噛み合う。
中速段太陽歯車７の高歯部１７は中速段遊星歯車群８と噛み合い、中速段遊星歯車群８は内歯車ハウジング１５と噛み合い、中速段遊星歯車群８は中速段ピン軸９と軸受で嵌合され、中速段ピン軸９は中速段遊星キャリア１０と嵌合され、中速段遊星キャリア１０は低速段太陽歯車１１の低歯部１８と噛み合う。
低速段太陽歯車１１の高歯部は低速段遊星歯車群１２と噛み合い、低速段遊星歯車群１２は内歯車ハウジング１５と噛み合い、低速段遊星歯車群１２は低速段ピン軸１３と軸受で嵌合され、低速段ピン軸１３は低速段遊星キャリア１４と嵌合され、低速段遊星キャリア１４はねじで外部にトルクを出力する。

なお、遊星減速機構において、後段の太陽歯車の階段状歯は前段の遊星減速機構を軸方向に位置決めする。

本実施例の遊星減速モータが動作する時の基本的な動作原理は、
回転子２→高速段太陽歯車３→高速段遊星歯車群４→高速段遊星キャリア６→中速段太陽歯車７→中速段遊星歯車群８→中速段遊星キャリア１０→低速段太陽歯車１１→低速段遊星歯車群１２→低速段遊星キャリア１４→外部下位構造→伝動軸→格子エンコーダ→回転子２である。

１－固定子、２－回転子、３－高速段太陽歯車、４－高速段遊星歯車群、５－高速段ピン軸、６－高速段遊星キャリア、７－中速段太陽歯車、８－中速段遊星歯車群、９－中速段ピン軸、１０－中速段遊星キャリア、１１－低速段太陽歯車、１２－低速段遊星歯車群、１３－低速段ピン軸、１４－低速段遊星キャリア、１５－内歯車ハウジング、１６－モータハウジング、１７－高歯部、１８－低歯部、１９－伝動軸、２０－格子エンコーダ、２１－第１層軸受軌道、２２－第２層軸受軌道、２３－鋼球、２．１－遊星歯車（Ａ）、２．２－遊星歯車（Ｂ）、２．３－遊星歯車（Ｃ）、２．４－遊星歯車（Ｄ）。

Claims (11)

1. モータハウジング、モータハウジング内に設けられた固定子、及び回転子を備えるモータ部と、内歯車ハウジング、内歯車ハウジング内に設けられたＳ（Ｓ≧１）段遊星減速機構、及び内歯車ハウジングの外部に外嵌された回転基体を備える遊星減速機部と、を備える、完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータであって、
   伝動軸及び格子エンコーダを備える完全閉ループ制御装置をさらに備え、格子エンコーダは、モータハウジングの外部に位置し、モータハウジングの後端面に取り付けられ、
   伝動軸は、一端が第Ｓ段遊星減速機構の遊星キャリアに固定して接続され、他端がＳ段遊星減速機構の各段の太陽歯車、前記回転子及びモータハウジングを順に貫通した後、格子エンコーダの回転部分に接続され、
   前記回転子は締まり嵌めするように遊星減速機の第１段遊星減速機構の太陽歯車に固定して接続され、前記モータハウジングの前端が減速機ハウジングとねじで直接固定され、
   各段の遊星減速機構において、
   前記遊星キャリアの少なくとも２つの遊星穴は、逆方向バックラッシが減少するように、遊星歯車の円周方向における配置位置に対して、円周方向のオフセット量を有しており、
   前記オフセット量について、遊星キャリアが異なる数の遊星穴を有する場合、隣接する遊星穴の円周方向の夾角の組合せについては、
   遊星穴の数をＮ（Ｎ≧２）とし、単位オフセット量をΔφと定義すると、
   Ｎが偶数である場合、隣接する２つの遊星穴の円周方向の夾角の組合せは、Ｎ／２個｛（３６０／Ｎ）＋Δφ、（３６０／Ｎ）－Δφ｝であり、
   Ｎが奇数であり、且つＮ＝２Ｍ＋１（Ｍ≧１）の場合、遊星キャリア上の隣接する２つの遊星穴の円周方向の夾角の組合せは、
   Ａ：Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）＋Δφ、Ｍ－１個（３６０／Ｎ）－Δφ、１個（３６０／Ｎ）－２Δφであり、
   Ｂ：Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）－Δφ、Ｍ－１個（３６０／Ｎ）＋Δφ、１個（３６０／Ｎ）＋２Δφであり、
   Ｃ：Ｍ個（３６０／Ｎ）＋Δφ、Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）－（Ｍ／Ｍ＋１）Δφであり、
   Ｄ：Ｍ個（３６０／Ｎ）－Δφ、Ｍ＋１個（３６０／Ｎ）＋（Ｍ／Ｍ＋１）Δφである４つのケースがある、ことを特徴とする完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ。
2. 各段の遊星減速機構において、遊星歯車群の遊星歯車は円周方向に均等に分布し、遊星キャリアにおいて、少なくとも２つの遊星穴は、遊星歯車の円周方向における均等な配置位置に対して、円周方向のオフセット量を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ。
3. 前記Δφは、歯車バックラッシによる円周角変位量、軸受遊びによる円周角変位量、及び接触歯面の間のプリロードによる円周角変位量の３つの部分からなり、
   その具体的な計算式は、Δφ＝Δφ₁＋Δφ₂＋Δφ₃であり、
   式中、Δφ₁は歯車バックラッシによる円周角変位量であり、
   Δφ₂は軸受遊びによる円周角変位量であり、
   Δφ₃は接触歯面の間のプリロードによる円周角変位量である、ことを特徴とする請求項２に記載の完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ。
4. 前記Δφ₁の具体的な計算式は、
   Δφ₁＝（１／２ｒ_d）*（（Ｗ_st－Ｗ_sr）／ｃｏｓα_s＋２*（Ｗ_pt－Ｗ_pr）／ｃｏｓα_p＋（Ｗ_it－Ｗ_ir）／ｃｏｓα_i）
   であり、
   式中、ｒ_dは遊星穴分布円の半径、Ｗ_stは太陽歯車のバックラッシのない理論上の共通法線、Ｗ_srは太陽歯車の実測された共通法線、α_sは太陽歯車のピッチ円の圧力角、Ｗ_ptは遊星歯車のバックラッシのない理論上の共通法線、Ｗ_prは遊星歯車の実測された共通法線、α_pは遊星歯車のピッチ円の圧力角、Ｗ_itは内歯車ハウジングの内歯車のバックラッシのない理論上の共通法線、Ｗ_irは内歯車ハウジングの内歯車の実測された共通法線、α_iは内歯車ハウジングの内歯車のピッチ円の圧力角である、ことを特徴とする請求項３に記載の完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ。
5. 前記Δφ₂の具体的な計算式は、Δφ₂＝ｅ_p／ｒ_dであり、
   式中、ｅ_pは軸受遊びであり、前記軸受は遊星歯車と遊星歯車軸の間に設けられている、ことを特徴とする請求項３に記載の完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ。
6. 前記Δφ₃の具体的な計算式は、Δφ₃＝Ｔ*（η／ｋｒ_d）であり、式中、Ｔは定格トルク、ηは可能な摩耗状況及び製造誤差に応じて得られる係数の値（値の範囲が０．１～０．２である）、ｋは遊星減速機構の剛性である、ことを特徴とする請求項３に記載の完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ。
7. 前記Δφの値は０．０５°～０．５°である、ことを特徴とする請求項１に記載の完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ。
8. モータハウジング、モータハウジング内に設けられた固定子、及び回転子を備えるモータ部と、内歯車ハウジング、内歯車ハウジング内に設けられたＳ（Ｓ≧１）段遊星減速機構、及び内歯車ハウジングの外部に外嵌された回転基体を備える遊星減速機部と、を備える、完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータであって、
   伝動軸及び格子エンコーダを備える完全閉ループ制御装置をさらに備え、格子エンコーダは、モータハウジングの外部に位置し、モータハウジングの後端面に取り付けられ、
   伝動軸は、一端が第Ｓ段遊星減速機構の遊星キャリアに固定して接続され、他端がＳ段遊星減速機構の各段の太陽歯車、前記回転子及びモータハウジングを順に貫通した後、格子エンコーダの回転部分に接続され、
   前記回転子は締まり嵌めするように遊星減速機の第１段遊星減速機構の太陽歯車に固定して接続され、前記モータハウジングの前端が減速機ハウジングとねじで直接固定され、
   各段の遊星減速機構において、
   前記遊星キャリアの少なくとも２つの遊星穴は、逆方向バックラッシが減少するように、遊星歯車の円周方向における配置位置に対して、円周方向のオフセット量を有しており、
   第Ｓ段遊星減速機構の遊星キャリアの外輪表面と内歯車ハウジングの内輪表面との間には、第１層軸受軌道が形成され、
   内歯車ハウジングの外輪表面と回転基体の内輪表面との間には、第２層軸受軌道が形成され、
   第１層軸受軌道内には、複数の鋼球は円周方向に沿って均等に係着され、第２層軸受軌道内には、複数の鋼球が円周方向に沿って均等に係着される、ことを特徴とする完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ。
9. 第１層軸受軌道と第２層軸受軌道の形状はすべてアンギュラ玉軸受の軸受軌道と同じである、ことを特徴とする請求項８に記載の完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ。
10. 太陽歯車の歯部は、その軸線方向に沿って高歯部と低歯部に分けられ、高歯部と低歯部は階段状歯を形成し、
    高歯部は、同じ段の遊星減速機構における遊星歯車群の遊星歯車のそれぞれと相互に噛み合い、低歯部は、前段の遊星減速機構における遊星キャリアと噛み合い、且つ階段状歯は前段の遊星減速機構を軸方向に位置決めする、ことを特徴とする請求項９に記載の完全閉ループ制御を実現できる遊星減速モータ。
11. 少なくとも２つの関節肢を備える多関節ロボットであって、
    ２つの関節肢の間に請求項１に記載の遊星減速モータが設けられていることを特徴とする多関節ロボット。

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