JP7251118B2 - 歯車装置およびロボット - Google Patents

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つのアームを含んで構成された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が、その際、そのモーターからの駆動力の回転を減速機（歯車装置）により減速してからロボットアームに伝達することが行われている。

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、円環状をした剛性の内歯歯車と、この内側に配置されているコップ状の可撓性の外歯歯車と、この外歯歯車の内側に嵌め込まれた楕円形輪郭の波動発生器と、により構成されている。

特開２００２－３４９６８１号公報

特許文献１に記載の波動歯車装置では、内歯歯車の構成材料が高強度アルミニウム合金あるいは銅合金であり、外歯歯車の構成材料が構造用鋼またはステンレス鋼である。これらの材料は、機械的特性が不十分であるため、内歯歯車および外歯歯車の機械的特性を低下させ、歯車装置の寿命が短くなるという課題を生じさせている。

本発明の適用例に係る歯車装置は、黒鉛粒子と基地組織とを含む球状黒鉛鋳鉄を主材料として構成されている内歯歯車と、
可撓性を有し、前記内歯歯車に一部が噛み合う外歯歯車と、
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周方向に移動させる波動発生器と、
を有し、
前記球状黒鉛鋳鉄は、
単位面積における粒径１５μｍ以上の前記黒鉛粒子の粒子数が４００個／ｍｍ^２以上であること、および、
粒径が小さい方から前記黒鉛粒子の数を計数したときの累積個数が全体の５０％になるときの前記黒鉛粒子の粒径が９．０μｍ以上１２．０μｍ以下の範囲内であること、
を満たし、
前記外歯歯車の外歯の表面粗さＲａが、前記内歯歯車の内歯の表面粗さＲａよりも大きい。

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２に示す歯車装置が備える剛性歯車を構成する材料の断面の拡大観察像を模式的に示す図である。 図２に示す歯車装置が備える可撓性歯車の外歯の表面状態を示す断面図である。 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。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。

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、配線引き回し部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（回動軸）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に対して鉛直方向に沿う第２軸Ｊ２（回動軸）まわりに回動可能に第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線引き回し部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、歯車装置１０に代えて、後述する歯車装置１０Ｂを用いてもよい。

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は第１アーム１２０に設けられていてもよい。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．歯車装置
次に、歯車装置について説明する。

＜第１実施形態＞
まず、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２に示す歯車装置が備える剛性歯車を構成する材料の断面の拡大観察像を模式的に示す図である。図５は、図２に示す歯車装置が備える可撓性歯車の外歯の表面状態を示す断面図である。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、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。

（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、胴部３１の底部３２に比べ開口部３６の端部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いために１枚の歯にかかる力が小さくなり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、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、他の鋼種を主材料として構成されていてもよいが、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と言える。

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ればよい。

一方、内歯歯車である剛性歯車２は、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４に示すように、球状をなす黒鉛粒子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。

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等が挙げられる。

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。

ここで、本実施形態に係る球状黒鉛鋳鉄は、含まれる黒鉛粒子２１が以下のＡ、Ｂの２つの要素を満たしている。

Ａ：単位面積における粒径１５μｍ以上の黒鉛粒子２１の粒子数が４００個／ｍｍ^２以上である
Ｂ：粒径の小さい方から黒鉛粒子２１の数を計数したときの累積個数が全体の５０％となるときの黒鉛粒子２１の粒径が９．０μｍ以上１２．０μｍ以下の範囲内である

これらの２つの要素を満たすことにより、球状黒鉛鋳鉄において、疲労強度に代表される機械的特性と表面における潤滑性とを両立させることができる。以下、２つの要素について順次説明する。

まず、要素Ａについて説明する。前述したように、本実施形態に係る球状黒鉛鋳鉄は、単位面積における粒径１５μｍ以上の黒鉛粒子２１の粒子数が４００個／ｍｍ^２以上であるという要素を満たす。つまり、この要素Ａは、粒径１５μｍ以上という比較的大きな黒鉛粒子２１が所定の割合以上に含まれることを意味する。このような球状黒鉛鋳鉄は、表面における潤滑性に優れる。このため、かかる球状黒鉛鋳鉄を主材料として構成されている剛性歯車２を用いて歯車装置１０を組み立てることにより、剛性歯車２の内歯２３の表面において可撓性歯車３の外歯３３の表面が凝着することに伴う摩耗が発生しにくくなる。

また、要素Ａの前述した粒子数は、好ましくは４５０個／ｍｍ^２以上１０００個／ｍｍ^２以下とされる。

なお、この粒子数が前記下限値を下回ると、剛性歯車２の表面の潤滑性が低下し、可撓性歯車３の構成材料や外歯３３の表面状態等によっては、凝着等の不具合が発生するおそれがある。一方、粒子数が前記上限値を上回っても構わないが、基地組織２２の割合が低下しやすくなり、基地組織２２の構成によっては、機械的特性が低下する場合がある。

また、要素Ａにおける粒径とは、球状黒鉛鋳鉄の断面の観察画像において、ＪＩＳ Ｇ ５５０５：２０１３の附属書Ｂに規定されている黒鉛粒子２１の長軸長さ、すなわち、黒鉛粒子２１の外周上の２点間の最大距離のことをいう。また、粒子数の算出において、対象となる領域の面積は４ｍｍ^２以上とする。

次に、要素Ｂについて説明する。前述したように、本実施形態に係る球状黒鉛鋳鉄は、粒径の小さい方から黒鉛粒子２１の数を計数したときの累積個数が全体の５０％となるときの黒鉛粒子２１の粒径が９．０μｍ以上１２．０μｍ以下の範囲内であるという要素を満たす。つまり、この要素Ｂは、黒鉛粒子２１の個数基準の粒度分布における「中位径」が９．０μｍ以上１２．０μｍ以下の範囲内であることを意味する。このような球状黒鉛鋳鉄は、粒度分布のバランスが最適化されているため、前述した表面の潤滑性を著しく低下させることなく、疲労強度に代表される機械的特性を高めることができる。このため、かかる球状黒鉛鋳鉄を主材料として構成されている剛性歯車２を用いて歯車装置１０を組み立てることにより、前述した剛性歯車２の内歯２３の表面における摩耗を抑えつつ、繰り返し応力による疲労に伴う剛性歯車２の損傷等の発生を抑えることができる。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、要素Ｂの前述した中位径は、好ましくは９．５μｍ以上１１．５μｍ以下とされる。

なお、この中位径が前記下限値を下回ると、剛性歯車２の表面の潤滑性が低下し、可撓性歯車３の構成材料や外歯３３の表面状態等によっては、凝着等の不具合が発生するおそれがある。一方、中位径が前記上限値を上回ると、球状黒鉛鋳鉄の疲労強度が低下するおそれがある。

また、要素Ｂにおける粒径とは、要素Ａにおける粒径と同じである。そして、球状黒鉛鋳鉄の断面の観察画像において、この粒径が３．０μｍ以上の黒鉛粒子２１についてその粒径を測定し、数を計測することにより、要素Ｂにおける中位径が求められる。

以上、要素Ａ、Ｂについて説明したが、これらの要素を満たすか否かは、球状黒鉛鋳鉄を製造する際の製造条件によって制御することができる。

例えば、球状黒鉛鋳鉄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。これにより、要素Ａにおける黒鉛粒子２１の粒子数を増やしたり、要素Ｂにおける黒鉛粒子２１の中位径を大きくしたりすることができる。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、要素Ａにおける黒鉛粒子２１の粒子数を増やしたり、要素Ｂにおける黒鉛粒子２１の中位径を大きくしたりすることができる。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。

また、本実施形態に係る球状黒鉛鋳鉄は、黒鉛粒子２１に加えて基地組織２２を含んでいる。

基地組織２２、すなわち球状黒鉛鋳鉄において黒鉛粒子２１以外の部分は、いかなる組織であってもよいが、本実施形態に係る基地組織２２は、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、フェライト組織との混合組織として存在していてもよい。パーライト組織とフェライト組織との混合組織は、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。

なお、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。

また、剛性歯車２の構成材料は、前述した２つの要素Ａ、Ｂを満たす球状黒鉛鋳鉄以外の材料を含んでいてもよい。ただし、その場合、剛性歯車２の構成材料全体において、この球状黒鉛鋳鉄が占める面積割合が、それ以外の材料が占める面積割合よりも大きい構成、すなわち球状黒鉛鋳鉄が主材料であればよい。

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、可撓性を有し、剛性歯車２に一部が噛み合う外歯歯車である可撓性歯車３と、可撓性歯車３の内周面に接触し、剛性歯車２と可撓性歯車３との噛み合い位置を周方向に移動させる波動発生器４と、を有する。このうち、剛性歯車２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。そして、この球状黒鉛鋳鉄は、Ａ：単位面積における粒径１５μｍ以上の黒鉛粒子２１の粒子数が４００個／ｍｍ^２以上である、という要素と、Ｂ：粒径の小さい方から黒鉛粒子２１の数を計数したときの累積個数が全体の５０％となるときの黒鉛粒子２１の粒径が９．０μｍ以上１２．０μｍ以下の範囲内である、という要素と、を満たしている。

このような歯車装置１０によれば、剛性歯車２の内歯２３の表面における摩耗を抑えつつ、繰り返し応力による疲労に伴う剛性歯車２の損傷等の発生を抑えることができる。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、入力可能なトルクの許容範囲を拡大することができるため、歯車装置１０の高トルク化を図ることができる。

また、前述したロボット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、を備えている。そして、剛性歯車２、可撓性歯車３および波動発生器４のうちの一つが基台１１０（第１部材）に対して接続され、他の一つが第１アーム１２０（第２部材）に対して接続されている。また、歯車装置１０は、前述したように、内歯歯車である剛性歯車２と、可撓性を有し、剛性歯車２に一部が噛み合う外歯歯車である可撓性歯車３と、可撓性歯車３の内周面に接触し、剛性歯車２と可撓性歯車３との噛み合い位置を周方向に移動させる波動発生器４と、を有する。このうち、剛性歯車２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。そして、この球状黒鉛鋳鉄は、Ａ：単位面積における粒径１５μｍ以上の黒鉛粒子２１の粒子数が４００個／ｍｍ^２以上である、という要素と、Ｂ：粒径の小さい方から黒鉛粒子２１の数を計数したときの累積個数が全体の５０％となるときの黒鉛粒子２１の粒径が９．０μｍ以上１２．０μｍ以下の範囲内である、という要素と、を満たしている。

このようなロボット１００によれば、歯車装置１０の長寿命化に起因して、ロボット１００の長寿命化も図ることができる。また、歯車装置１０の交換や修理を行う頻度を下げることができるため、ロボット１００の実質的な稼働時間をより長く確保することができ、ロボット１００の作業効率および信頼性を高めることができる。

また、内歯歯車である剛性歯車２の表面のビッカース硬度は、外歯歯車である可撓性歯車３の表面のビッカース硬度以下であることが好ましい。これにより、剛性歯車２の内歯２３の表面が適度に摩耗するため、剛性歯車２が含む球状黒鉛鋳鉄に由来する黒鉛粒子２１が露出し、それによって内歯２３の表面の潤滑性が向上しやすくなる。その結果、剛性歯車２の内歯２３の表面において可撓性歯車３の外歯３３の表面が凝着することに伴う摩耗が発生しにくくなり、歯車装置１０の長寿命化を図りやすくなる。

なお、ビッカース硬度は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に規定されたビッカース硬さ試験－試験方法に準じて測定される。ここで、圧子の試験力は９．８Ｎとし、試験力の保持時間は１５秒とする。そして、１０か所の測定結果の平均値を上記ビッカース硬度とする。

また、外歯歯車である可撓性歯車３の表面のビッカース硬度は、４００以上５２０以下の範囲内にあることが好ましく、４５０以上５２０以下の範囲内にあることがより好ましい。これにより、可撓性歯車３の機械的強度と靭性とのバランスを図り、可撓性歯車３の寿命を好適に長くすることができる。これに対し、かかるビッカース硬度が低すぎると、可撓性歯車３の強度が十分でなく、可撓性歯車３が負荷応力に耐えられず破壊しやすくなるおそれがある。一方、かかるビッカース硬度が高すぎると、可撓性歯車３の靱性が低下してしまい、衝撃等により破壊しやすくなる傾向を示し、また、剛性歯車２の摩耗を過度に進行させ、歯車装置１０の耐久性を低下させる可能性がある。

また、内歯歯車である剛性歯車２の表面のビッカース硬度は、３００以上４５０以下の範囲内にあることが好ましく、３２０以上４００以下の範囲内にあることがより好ましい。これにより、剛性歯車２の機械的強度と靭性とのバランスを図り、剛性歯車２の寿命を好適に長くすることができる。これに対し、かかるビッカース硬度が低すぎると、剛性歯車２の摩耗が過度に進行し、歯車装置１０の伝達効率が低下するおそれがある。また、剛性歯車２が負荷応力に耐えられず破壊しやすくなるおそれがある。一方、かかるビッカース硬度が高すぎると、剛性歯車２と可撓性歯車３との噛み合い時の衝撃が大きくなり、可撓性歯車３が破壊したり、歯車装置１０の耐久性を低下させたりするおそれがある。

また、可撓性歯車３の少なくとも外歯３３の表面には、圧縮残留応力が付与されていることが好ましい。これにより、外歯３３の疲労強度を高め、高い負荷応力にも耐えられる可撓性歯車３を実現することができ、その結果、歯車装置１０の耐久性を向上させることができる。

ここで、前述したような効果を得るためには、可撓性歯車３の残留応力、例えば圧縮残留応力は、－９５０ＭＰａ以上－４５０ＭＰａ以下の範囲内にあることが好ましく、－９５０ＭＰａ以上－５５０ＭＰａ以下の範囲内にあることがより好ましく、－９５０ＭＰａ以上－７５０ＭＰａ以下の範囲内にあることがさらに好ましい。これに対し、かかる残留応力の絶対値が小さすぎると、前述した効果が減少する傾向を示す。一方、かかる残留応力の絶対値が大きすぎると、残留応力付与に伴う外歯３３の変形が大きくなり、歯車装置１０の適切な稼動を妨げるおそれがある。

また、このような圧縮残留応力は、可撓性歯車３の表面にショットピーニングを施すことで付与することができる。このように可撓性歯車３の表面にショットピーニングを施すと、可撓性歯車３の表面には、図５に示すように、微細な凹凸が形成される。これにより、可撓性歯車３の表面に潤滑剤Ｇを保持させやすくすることができる。その結果、歯車装置１０の耐久性を向上させることができる。

ここで、外歯歯車である可撓性歯車３の外歯３３の表面粗さＲａは、０．２μｍ以上１．６μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、０．２μｍ以上０．８μｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。これにより、剛性歯車２の摩耗を低減しつつ、可撓性歯車３の外歯３３上にグリース、つまり潤滑剤Ｇを保持させやすくして、可撓性歯車３および剛性歯車２の寿命を好適に長くすることができる。これに対し、かかる表面粗さが小さすぎると、可撓性歯車３の外歯３３上にグリースを保持させやすくする効果が小さくなる傾向を示す。一方、かかる表面粗さが大きすぎると、外歯３３の歯面の接触抵抗が大きくなり、歯車装置１０の効率が低下するとともに、剛性歯車２が摩耗しやすくなり、歯車装置１０の耐久性を低下させる傾向を示す。なお、表面粗さＲａは、外歯３３の算術平均粗さＲａのことであり、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に規定された方法に準じて測定される。

また、外歯歯車である可撓性歯車３の外歯３３の表面粗さＲａは、内歯歯車である剛性歯車２の内歯２３の表面粗さＲａよりも大きいことが好ましい。これにより、可撓性歯車３の外歯３３上に潤滑剤Ｇを保持させやすくしつつ、可撓性歯車３と剛性歯車２との接触抵抗を低減して、可撓性歯車３および剛性歯車２の寿命を好適に長くすることができる。

一方、内歯歯車である剛性歯車２の内歯２３の表面粗さＲａは、０．１μｍ以上０．８μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、０．１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。これにより、剛性歯車２の製造コストを低減しつつ、可撓性歯車３と剛性歯車２との接触抵抗を低減することができる。これに対し、かかる表面粗さが小さすぎると、内歯２３の歯形表面を仕上げるためのコストが大きくなる割に効率向上の効果は小さい。一方、かかる表面粗さが大きすぎると、内歯２３の歯面の接触抵抗が大きくなり、歯車装置１０の効率が低下する傾向を示す。なお、表面粗さＲａは、内歯２３の算術平均粗さＲａのことであり、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に規定された方法に準じて測定される。

また、外歯歯車である可撓性歯車３の構成材料の平均結晶粒径は、内歯歯車である剛性歯車２の構成材料の平均結晶粒径よりも小さいことが好ましい。内歯２３および外歯３３の構成材料の平均結晶粒径にこのような大小関係が設定されることにより、外歯３３の結晶粒径を小さくして、潤滑剤Ｇを外歯３３上に保持させやすくすることができる。そのため、潤滑剤Ｇを外歯３３の回転による遠心力に抗して外歯３３上に留めておくことができる。ここで、潤滑剤Ｇは、外歯３３の表面に存在する結晶粒界に優先的に保持される。これは、当該結晶粒界が潤滑剤Ｇを収容する微細な凹部や溝のような役割を果たすためと考えられる。したがって、外歯３３の結晶粒径を小さくすることで、外歯３３の表面に存在する結晶粒界の密度が高くなり、それに伴って、外歯３３の表面に潤滑剤Ｇが保持されやすくなる。

また、外歯３３の結晶粒径を小さくすることにより、外歯３３の機械的強度を高めるとともに、外歯３３の靱性を高めることができる。外歯３３は、前述したように剛性歯車２および可撓性歯車３の互いの噛み合い位置の移動に伴って変形を繰り返すことから、内歯２３に比べて高い機械的強度および靱性が要求される。そのため、外歯３３の機械的強度および靱性を高めることは極めて有益である。なお、一般に、金属の機械的強度は、結晶粒径の１／２乗に反比例して高まる。

その一方で、前述したような内歯２３および外歯３３の構成材料の平均結晶粒径の大小関係により、内歯２３の結晶粒径を大きくして、潤滑剤Ｇを内歯２３上に沿って流動させやすくすることができる。そのため、潤滑剤Ｇが内歯２３上で偏在したり固化したりするのを低減することができる。ここで、内歯２３は非回転であるため、内歯２３上において、前述した外歯３３のような遠心力が働かないため、もともと潤滑剤Ｇを保持しやすい傾向にある。そこで、内歯２３上の潤滑剤Ｇを流動しやすくすることで、潤滑剤Ｇの固着や必要箇所での油切れを防ぐ。これにより、潤滑剤Ｇの性能を十分に発揮させることが可能となる。

このように、歯車装置１０では、前述したような、潤滑剤Ｇを外歯３３上に留めておく効果、および、潤滑剤Ｇが内歯２３上で偏在したり固化したりするのを低減する効果の２つの効果を同時に発揮させることができる。そして、この２つの効果が相乗して、潤滑剤Ｇの潤滑寿命を効果的に向上させることができる。特に、歯車装置１０のような波動歯車装置では、一般に、内歯車および外歯車が極めて少ないバックラッシュで互いに噛み合うため、潤滑剤の潤滑寿命に対する要求が極めて高い。そのため、このような歯車装置に本発明を適用すると、その効果が顕著となる。

ここで、「平均結晶粒径」は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１：２０１３「鋼－結晶粒度の顕微鏡試験方法」に準拠して測定されるものである。この平均結晶粒径の測定に際しては、試験片、すなわち内歯または外歯の表面を腐食液によりエッチングすることで結晶粒界を出現させ、その出現した結晶粒界を顕微鏡観察することにより行うが、腐食液としては、５％ナイタール、すなわち５％硝酸－エチルアルコール、あるいは、ピクリン酸水溶液ベースの腐食液、すなわち２％ピクリン酸－０．２％塩化ナトリウム－０．１％硫酸－蒸留水を用いる。また、前述したような平均結晶粒径の大小関係は、少なくとも内歯２３および外歯３３において満たしていればよく、剛性歯車２および可撓性歯車３の他の部分同士において満たしていなくてもよいが、他の部分同士においても満たしていると、その効果が顕著となる。また、内歯２３および外歯３３の結晶粒径は、例えば、これらを構成する材料および製造時の熱処理等に応じて調整が可能である。

外歯３３の構成材料の平均結晶粒径をｄ３３とし、内歯２３の構成材料の平均結晶粒径をｄ３２としたとき、ｄ３３およびｄ３２は前述したようにｄ３３＜ｄ３２なる関係を満たせばよいが、前述したような２つの効果を好適に発揮させる上で、好ましくは、１．２≦ｄ３２／ｄ３３≦１００、より好ましくは、２≦ｄ３２／ｄ３３≦５０とされる。これに対し、ｄ３２／ｄ３３が小さすぎると、前述した２つの効果のバランスが悪くなる傾向を示し、一方、ｄ３２／ｄ３３が大きすぎると、内歯２３と外歯３３の強度差が大きくなりすぎて、内歯２３および外歯３３のうちの一方の摩耗が早くなる傾向を示す。

内歯２３の構成材料の平均結晶粒径は、２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、３０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内にあることがより好ましく、３０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にあることがさらに好ましい。これにより、潤滑剤Ｇを内歯２３上に沿ってより効果的に流動させることができる。また、内歯２３が金属で構成されている場合において、内歯２３の機械的強度を優れたものとすることができる。これに対して、かかる平均結晶粒径が小さすぎると、内歯２３上での潤滑剤Ｇの流動性が低下する傾向を示す。一方、かかる平均結晶粒径が大きすぎると、内歯２３の構成材料によっては、内歯２３の強度が不足する場合がある。なお、剛性歯車２の全体において、前述した平均結晶粒径の範囲を満たしていると、前述した効果が顕著となる。

一方、外歯３３の構成材料の平均結晶粒径は、０．５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあることがより好ましく、５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内にあることがさらに好ましい。これにより、潤滑剤Ｇを外歯３３上により効果的に保持させることができる。また、外歯３３が金属で構成されている場合において、外歯３３の機械的強度を優れたものとすることができる。これに対し、かかる平均結晶粒径が小さすぎると、外歯３３を製造する際の加工性が悪く、また、外歯３３の表面に存在する結晶粒界に起因する凹部の深さも小さくなるため、かえって、潤滑剤Ｇを外歯３３上に保持し難くなってしまう。一方、かかる平均結晶粒径が大きすぎると、潤滑剤Ｇを外歯３３上に保持する効果が低下する傾向を示し、また、外歯３３に必要な機械的強度および靱性を確保することが難しい。なお、可撓性歯車３の全体において、前述した平均結晶粒径の範囲を満たしていると、前述した効果が顕著となる。

また、可撓性歯車３の構成材料および剛性歯車２の構成材料には、前述した主材料以外の材料が０．０１質量％以上２質量％以下の範囲内で添加されていてもよい。特に、外歯歯車である可撓性歯車３の構成材料は、第４族元素または第５族元素を０．０１質量％以上０．５質量％以下の範囲内で含むことが好ましい。これにより、可撓性歯車３の製造過程において熱処理を施しても、可撓性歯車３を構成している鉄系材料の結晶粒の成長を抑制して結晶粒径を小さくすることができる。そのため、可撓性歯車３の機械的強度を向上させることができる。また、このような可撓性歯車３を備える歯車装置１０によれば、可撓性歯車３の機械的強度を向上させることで、歯車装置１０の耐久性を向上させることができる。

ここで、添加元素としては、前述したように、第４族元素または第５族元素を用いればよいが、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、およびタンタル（Ｔａ）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好ましく、ジルコニウム（Ｚｒ）およびニオブ（Ｎｂ）のうちの少なくとも一方を含んでいることがより好ましく、ジルコニウム（Ｚｒ）およびニオブ（Ｎｂ）の双方を含んでいることがさらに好ましい。これにより、可撓性歯車３を構成している鉄系材料の結晶粒の成長を抑制する効果、すなわち結晶粒成長抑制効果をより効果的に発揮させることができる。なお、可撓性歯車３の構成材料には、第４族元素および第５族元素以外の元素が含まれていてもよく、例えば、可撓性歯車３を構成している鉄系材料の結晶粒の成長を効果的に抑制する観点から、イットリウム（Ｙ）を含んでいてもよい。

また、可撓性歯車３の構成材料中における添加元素の含有量は、０．０５質量％以上０．３質量％以下の範囲内にあることが好ましく、０．１質量％以上０．２質量％以下の範囲内にあることがより好ましい。これにより、結晶粒成長抑制効果をより効果的に発揮させることができる。これに対し、かかる含有量が少なすぎると、結晶粒成長抑制効果が著しく減少するおそれがある。一方、かかる含有量が多すぎると、結晶粒成長抑制効果をそれ以上得ることができないばかりか、可撓性歯車３の靱性が低くなり、かえって可撓性歯車３の機械的強度を低下させたり、可撓性歯車３を製造する際の加工性が極端に悪くなったりするおそれがある。

（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。

（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。

前述したように、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との間に配置されている潤滑剤Ｇを備えるが、この潤滑剤Ｇは、基油と、増ちょう剤と、有機モリブデン化合物と、を含み、かつ、離油度が４質量％以上１３．８質量％以下の範囲内にあることが好ましい。潤滑剤Ｇが有機モリブデン化合物を含んでいることにより、剛性歯車２と可撓性歯車３との噛み合い部における摩擦を効果的に低減することができる。その上で、当該潤滑剤Ｇの離油度が４．００質量％以上１３．８質量％以下の範囲内にあることにより、当該潤滑剤Ｇが有機モリブデン化合物を含んでいても、増ちょう剤からの基油のしみ出しが阻害され難くなり、可撓性歯車３と波動発生器４との接触部へ安定的に基油を供給することができる。その結果、可撓性歯車３および剛性歯車２の寿命を好適に長くすることができる。

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。

ここで、潤滑剤Ｇ中における基油の含有量が７５質量％以上８５質量％以下であり、かつ、潤滑剤Ｇ中における増ちょう剤の含有量が１０質量％以上２０質量％以下であることが好ましい。これにより、潤滑剤Ｇの潤滑性能を高めることができる。

また、有機モリブデン化合物は、固体潤滑剤または極圧剤として機能する。これにより、潤滑対象部における摩擦を効果的に低減することができ、潤滑対象部が極圧潤滑状態となっても、焼き付きやスカッフィングを効果的に防止することができる。特に、有機モリブデン化合物は、二硫化モリブデンと同等の極圧性および耐摩耗性を発揮し、しかも、二硫化モリブデンに比べて酸化安定性に優れる。そのため、潤滑剤Ｇの長寿命化を図ることができる。

ここで、有機モリブデン化合物は、粒子状態で潤滑剤Ｇに添加されるが、歯車装置１０で使用されると分解反応することで潤滑対象部に被膜を形成して摩擦係数を下げる効果がある。このため有機モリブデン化合物は、極めて小さいバックラッシュで噛み合う剛性歯車２と可撓性歯車３との噛み合い部や、可撓性歯車３と波動発生器４との間の極めて小さい隙間の潤滑に適している。これに対し、二硫化モリブデンの場合は、潤滑対象部における摩擦を低減するためには、潤滑対象部に付着しても粒子状態を維持していなければならず、剛性歯車２と可撓性歯車３との噛み合い部や、可撓性歯車３と波動発生器４との接触部における潤滑に適しているとは言えない。

また、潤滑剤Ｇ中における有機モリブデン化合物の含有量は、例えば、１質量％以上５質量％以下であることが好ましい。これにより、有機モリブデン化合物の極圧剤としての性能が発揮されやすくなり、潤滑剤Ｇの特性向上が顕著となる。なお、極圧剤または固体潤滑剤として、有機モリブデン化合物の他に、ジアルキルジチオリン酸亜鉛等の他の極圧剤を併用してもよい。

ここで、有機モリブデン化合物の平均粒径は、一般に、１０μｍ程度と比較的大きい。そのため、単に潤滑剤Ｇに有機モリブデン化合物を添加すると、有機モリブデン化合物の粒子の影響により、潤滑剤Ｇの増ちょう剤からの基油のしみ出しが阻害されて少なくなり、潤滑対象部の潤滑不足を招く場合がある。例えば、可撓性歯車３と波動発生器４との接触部は、その隙間が小さいためにグリース全体が供給されることは難しく、増ちょう剤からしみ出た基油が供給されることが重要であるので、潤滑不足を招きやすい。

そこで、潤滑剤Ｇの離油度は、４．００質量％以上１３．８質量％以下の範囲内にあることが好ましく、６．００質量％以上１１．０質量％以下の範囲内にあることがより好ましく、６．００質量％以上１０．０質量％以下の範囲内にあることがさらに好ましい。これにより、潤滑剤Ｇの増ちょう剤からの基油のしみ出しが阻害され難くなり、潤滑対象部、特に可撓性歯車３と波動発生器４との接触部へ安定的に基油を供給することができる。このように、当該潤滑剤Ｇが有機モリブデン化合物による優れた摩擦低減効果を発揮させつつ増ちょう剤からの基油のしみ出しによって潤滑対象部へ安定的に基油を供給することができ、その結果、歯車装置１０の長寿命化を図ることができる。なお、「離油度」とは、増ちょう剤からの基油をしみ出させる能力を示す指標であり、ＪＩＳ Ｋ２２２０：２０１３に規定されている測定方法に準拠して測定される。

ここで、前述したような潤滑剤Ｇの離油度による効果を高める観点から、潤滑剤Ｇに添加する有機モリブデン化合物の平均粒径は、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

また、離油度は、ちょう度が大きくなる、すなわち軟らかくなるほど、大きくなる傾向を示し、ちょう度に対してある程度の相関関係を有する。したがって、例えば、基油および増ちょう剤の配合比に応じてちょう度を調整することで、所望の離油度の潤滑剤Ｇを得ることができる。

また、潤滑剤Ｇのちょう度は、２８０以上４００以下の範囲内にあることが好ましく、３００以上３８０以下の範囲内にあることがより好ましく、３２５以上３６５以下の範囲内にあることがさらに好ましい。これにより、潤滑対象部に潤滑剤Ｇを留めやすくすることができる。また、潤滑剤Ｇの離油度を前述した範囲内とすることが容易となるという利点もある。これに対し、潤滑剤Ｇのちょう度が小さすぎると、前述した離油度の範囲となる基油および増ちょう剤の選定が難しく、また、潤滑剤Ｇの流動性が不十分となり、剛性歯車２と可撓性歯車３との噛み合い部に十分に潤滑剤Ｇを供給することが難しくなるおそれがある。一方、潤滑剤Ｇのちょう度が大きすぎると、潤滑剤Ｇの流動性が高くなり過ぎて、歯車装置１０の外部、例えば、ケース５内の不本意な位置またはケース５の外部へ潤滑剤Ｇが漏れやすくなるため、剛性歯車２と可撓性歯車３との噛み合い部への潤滑剤Ｇの供給が不安定となり、かえって、当該噛み合い部における潤滑不良を生じやすくなるおそれがある。なお、「ちょう度」は、グリースの硬さを表す指標であり、ＪＩＳ Ｋ２２２０：２０１３に規定されている測定方法に準拠して測定される。

また、潤滑剤Ｇの滴点は、２４８℃以上２７０℃以下の範囲内にあることが好ましい。これにより、潤滑剤Ｇのちょう度を最適化しつつ、潤滑剤Ｇの耐熱性を優れたものとすることができる。なお、「滴点」とは、グリース構造が破壊され、半固体から液状に変わる時の温度をいい、ＪＩＳ Ｋ２２２０：２０１３に規定されている測定方法に準拠して測定される。

ここで、潤滑剤Ｇに用いる増ちょう剤は、前述した増ちょう剤の中でもリチウム複合石けんを用いることが好ましい。これにより、潤滑剤Ｇの滴点を高くすることができ、潤滑剤Ｇの耐熱性を優れたものとすることができる。なお、リチウム複合石けんを増ちょう剤として用いる場合、リチウム複合石けんを単独で増ちょう剤として用いてもよいし、他の増ちょう剤とリチウム複合石けんを混合して用いてもよい。他の増ちょう剤とリチウム複合石けんを混合して用いる場合、全増ちょう剤中におけるリチウム複合石けんの含有量が７０質量％以上であることが好ましい。

また、潤滑剤Ｇは、前述した基油、増ちょう剤および極圧剤の他に、酸化防止剤、防錆剤等の添加剤、また、黒鉛、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン等の固体潤滑剤等を含んでいてもよい。

＜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６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６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。

ここで、蓋体１１Ｂは、剛性歯車２の一方、すなわち図６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。また、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。そして、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６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。一方、外輪１６は、前述した可撓性歯車３Ｂのフランジ部３２Ｂの胴部３１側の面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。

以上のような歯車装置１０Ｂは、剛性歯車２と可撓性歯車３Ｂとの間および可撓性歯車３Ｂと波動発生器４との間のうちの少なくとも一方、すなわち潤滑対象部に配置されている潤滑剤Ｇを有する。ここで、剛性歯車２、可撓性歯車３Ｂおよび波動発生器４のうちの一つの部材が基台１１０（第１部材）に対して接続され、他の一つの部材が第１アーム１２０（第２部材）に対して接続されている。なお、本実施形態では、剛性歯車２が基台１１０に対して接続され、可撓性歯車３Ｂが第１アーム１２０に対して接続されている。

以上説明したような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮させることができる。

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、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、本発明に、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。

以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
１．摩擦摩耗試験および疲労強度試験
（実施用実験例１）
表１に示す材料を用いてＪＩＳ Ｋ ７２１８：１９８６に規定の摩擦摩耗試験を行った。具体的には、まず、表１に示すピン用材料であるニッケルクロムモリブデン鋼ＳＮＣＭ４３９で試験用ピンを作製し、ディスク用材料である球状黒鉛鋳鉄で試験用ディスクを作製した。

次に、これらの試験用ピンおよび試験用ディスクを、ＪＩＳ Ｋ ７２１８：１９８６に準拠する往復摩擦摩耗試験機であるピンオンディスク試験機にセットし、試験用ディスクの表面で試験用ピンを往復摺動させた。そして、長さ１０ｍｍを６００回往復摺動させた後の動摩擦係数を気温２５℃で測定した。測定結果を表１に示す。

次に、前述したディスク用材料を用いてＪＩＳ Ｚ ２２７５：１９７８に規定の平面曲げ疲れ試験を行った。具体的には、まず、表１に示すディスク用材料で試験片を作製した。

次に、この試験片を、ＪＩＳ Ｚ ２２７５：１９７８に準拠する平面曲げ疲労試験機にセットし、気温２５℃において、１×１０^７回の繰り返し数で繰り返し曲げ試験を行った。そして、応力振幅、すなわち繰り返し曲げ試験における繰り返し応力の最大応力と最小応力との差を増やしながら、都度、繰り返し曲げ試験を行い、破壊に至らなかった応力振幅の最大値を求めた。これを疲労限度とし、表１に示す。

（実施用実験例２～５）
ディスク用材料を表１に示す材料に変更した以外は、実施用実験例１と同様にして試験用ピンおよび試験用ディスクを作製し、これらを用いて動摩擦係数を測定するとともに、実施用実験例１と同様にして試験片を作製し、これを用いて疲労限度を測定した。測定結果を表１に示す。

（比較用実験例１～３）
ディスク用材料を表１に示す材料に変更した以外は、実施用実験例１と同様にして試験用ピンおよび試験用ディスクを作製し、これらを用いて動摩擦係数を測定するとともに、実施用実験例１と同様にして試験片を作製し、これを用いて疲労限度を測定した。測定結果を表１に示す。

表１から明らかなように、各実施用実験例で用いた球状黒鉛鋳鉄、すなわち、単位面積当たりの粒径１５μｍの黒鉛粒子数、および、黒鉛粒子数が累積５０％であるところの黒鉛粒子径が、それぞれ所定の範囲内にある球状黒鉛鋳鉄は、各比較用実験例で用いたディスク用材料に比べて、動摩擦係数が小さく、かつ、疲労限度が大きいことが認められた。

具体的には、各実施用実験例で用いた球状黒鉛鋳鉄は、それぞれ、動摩擦係数が０．２以下であり、かつ、疲労限界が３８０ＭＰａ以上であった。

これに対し、比較用実験例１、２で用いた球状黒鉛鋳鉄は、それぞれ、疲労限界は大きいものの、動摩擦係数が０．４以上であり、動摩擦係数が相対的に大きくなっている。球状黒鉛鋳鉄の動摩擦係数が大きい場合、歯車装置において摩擦抵抗の増加を招く。一方、比較用実験例３で用いた球状黒鉛鋳鉄は、動摩擦係数は小さいものの、疲労限界が３３０ＭＰａであり、疲労限界が相対的に小さくなっている。球状黒鉛鋳鉄の疲労限界が小さい場合、歯車装置において疲労破壊が懸念される。

前述したように、各実施用実験例で用いた球状黒鉛鋳鉄は、動摩擦係数が相対的に小さく、かつ、疲労強度が相対的に大きい。動摩擦係数および疲労強度は、それぞれ歯車装置の寿命に影響を及ぼすと考えられることから、以上の結果を踏まえると、各実施用実験例で用いた球状黒鉛鋳鉄は、歯車装置の寿命を延ばすことに寄与すると認められる。

２．歯車装置の製造
（実施例１）
図２に示すような構成の歯車装置を製造した。

ここで、製造した歯車装置は、内歯歯車の外径φ７０ｍｍ、かみ合い基準円直径で規定される内歯歯車の内径および外歯歯車の外径φ５３ｍｍ、減速比８０であった。また、内歯歯車の構成材料として球状黒鉛鋳鉄を用い、外歯歯車の構成材料としてニッケルクロムモリブデン鋼ＳＮＣＭ４３９を用いた。

そして、内歯歯車の構成材料である球状黒鉛鋳鉄の、単位面積当たりの粒径１５μｍの黒鉛粒子数、および、黒鉛粒子数が累積５０％であるところの黒鉛粒子径を、それぞれ表２に示す。

また、外歯歯車および内歯歯車のビッカース硬度、外歯歯車の残留応力、外歯歯車および内歯歯車の表面粗さＲａ、外歯歯車の構成材料および内歯歯車の構成材料の平均結晶粒径、ならびに、外歯歯車の構成材料に含まれる添加元素の種類および添加量を、それぞれ表２に示す。

また、歯車装置には潤滑剤を用いた。この潤滑剤には、鉱油：８０質量％、増ちょう剤としてのリチウム複合石けん：１５質量％、極圧剤としての有機モリブデン化合物：４質量％、２，６－ジ－ターシャリ－ブチル－４－クレゾール：１質量％を含み、ちょう度３２５、離油度４．００質量％、滴点２７０℃のグリースを用いた。

（実施例２～２７および比較例１～７）
外歯歯車および内歯歯車の構成を表２に示すように変更した以外は、前述した実施例１と同様にして歯車装置を製造した。

なお、表２に示す構成材料は、以下の通りである。
・ＳＮＣＭ４３９ ：ニッケルクロムモリブデン鋼ＳＮＣＭ４３９
・構造用鋼 ：機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ
・ＳＵＳ ：ステンレス鋼ＳＵＳ４２０Ｊ２
・ＦＣＤ ：球状黒鉛鋳鉄
・Ａｌ合金 ：アルミニウム青銅鋳物ＣＡＣ７０２
・Ｃｕ合金 ：リン青銅鋳物ＣＡＣ５０２

３．歯車装置の評価
各実施例および各比較例の歯車装置について、入力軸回転数３０００ｒｐｍ、平均負荷トルク７０Ｎｍにて連続運転を行い、歯車装置が破損するまでの入力軸の総回転数を計測した。この総回転数を寿命として表２に示す。

表２から明らかなように、各実施例は、各比較例に比べて、寿命が格段に長いことが認められた。

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、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、８０…減速比、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…配線引き回し部、１７０…モーター、１９０…制御装置、４１１…軸部、４１２…カム部、４２１…内輪、４２２…ボール、４２３…外輪、Ｇ…潤滑剤、Ｊ１…第１軸、Ｊ２…第２軸、Ｊ３…第３軸、Ｌａ…長軸、Ｌｂ…短軸、ａ…軸線

Claims (12)

1. 黒鉛粒子と基地組織とを含む球状黒鉛鋳鉄を主材料として構成されている内歯歯車と、
   可撓性を有し、前記内歯歯車に一部が噛み合う外歯歯車と、
   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周方向に移動させる波動発生器と、
   を有し、
   前記球状黒鉛鋳鉄は、
   単位面積における粒径１５μｍ以上の前記黒鉛粒子の粒子数が４００個／ｍｍ^２以上であること、および、
   粒径が小さい方から前記黒鉛粒子の数を計数したときの累積個数が全体の５０％になるときの前記黒鉛粒子の粒径が９．０μｍ以上１２．０μｍ以下の範囲内であること、
   を満たし、
   前記外歯歯車の外歯の表面粗さＲａが、前記内歯歯車の内歯の表面粗さＲａよりも大きいことを特徴とする歯車装置。
2. 前記基地組織は、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、を含む請求項１に記載の歯車装置。
3. 前記外歯歯車は、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請求項１または２に記載の歯車装置。
4. 前記外歯歯車の表面のビッカース硬度が、４５０以上５２０以下の範囲内にある請求項１ないし３のいずれか１項に記載の歯車装置。
5. 前記内歯歯車の表面のビッカース硬度が、３００以上４００以下の範囲内にある請求項４に記載の歯車装置。
6. 前記外歯歯車の残留応力が、－９５０ＭＰａ以上－４５０ＭＰａ以下の範囲内にある請求項１ないし５のいずれか１項に記載の歯車装置。
7. 前記外歯歯車の外歯の表面粗さＲａが、０．２μｍ以上１．６μｍ以下の範囲内にある請求項１ないし６のいずれか１項に記載の歯車装置。
8. 前記内歯歯車の内歯の表面粗さＲａが、０．１μｍ以上０．８μｍ以下の範囲内にある請求項１ないし６のいずれか１項に記載の歯車装置。
9. 前記外歯歯車の平均結晶粒径が、前記内歯歯車の平均結晶粒径よりも小さい請求項１ないし８のいずれか１項に記載の歯車装置。
10. 前記外歯歯車は、第４族元素または第５族元素を０．０１質量％以上０．５質量％以下の範囲内で含む請求項１ないし９のいずれか１項に記載の歯車装置。
11. 前記内歯歯車と前記外歯歯車との間に潤滑剤を備え、
    前記潤滑剤は、基油と、増ちょう剤と、有機モリブデン化合物と、を含み、かつ、離油度が４．００質量％以上１３．８質量％以下の範囲内にある請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の歯車装置。
12. 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部材を相対的に回動させる駆動力を伝達する請求項１ないし１１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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