JP7427933B2

JP7427933B2 - 駆動装置

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Publication number: JP7427933B2
Application number: JP2019215075A
Authority: JP
Inventors: 岳人本沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2024-02-06
Anticipated expiration: 2039-11-28
Also published as: JP2021085466A; US20210164554A1; CN112855891A; US11592095B2

Description

本発明は、駆動装置に関する。

従来、産業用ロボット等の駆動装置として、例えば特許文献１に示すように、回転軸を有するモーターと、減速機と、それら２部品を連結しロボットの筐体に固定するための支持部材と、を有する構造が公知である。
上述した減速機として、小型軽量で高減速比が達成可能な波動歯車減速機が採用されることがある。波動歯車減速機は、支持部材に固定される内歯歯車と、内歯歯車に部分的に噛み合う可撓性の外歯歯車と、モーターの回転軸に連結され、外歯歯車の内周面に接し、外歯歯車を撓めて内歯歯車と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、の３部品を含んで構成される。特許文献１に記載の駆動装置では、モーターの回転軸と、波動歯車減速機の波動発生器との連結において、波動発生器の変形を防止するため、回転軸と波動発生器の嵌合穴とを隙間嵌めとすることが通例である。

国際公開第２０１８／０５５７５２号

しかしながら、隙間嵌めの場合、径方向の隙間により、回転軸に対する波動発生器の同軸精度を確保することが困難となり、減速機の機械的寿命を低下させてしまう課題があった。

駆動装置は、回転軸を有するモーターと、前記回転軸の回転を減速させる波動歯車減速機と、前記モーター及び前記波動歯車減速機を支持する支持部材と、を備えた駆動装置であって、前記波動歯車減速機は、前記支持部材に固定される内歯歯車と、前記内歯歯車に部分的に噛み合う可撓性の外歯歯車と、前記回転軸に連結され、前記外歯歯車の内周面に接し、前記外歯歯車を撓めて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、前記波動発生器は、前記回転軸に沿って突出する突出部を有し、前記回転軸は、内輪及び外輪を有するベアリングを介して前記支持部材に支持され、前記ベアリングの前記外輪は、前記支持部材に支持され、前記ベアリングの前記内輪と前記回転軸とは、締まり嵌めで連結されており、前記ベアリングの前記内輪と前記突出部とは、締まり嵌めで連結されていることを特徴とする。

上記の駆動装置において、前記支持部材は、前記ベアリングを支持する第１支持部と、前記内歯歯車を固定する第２支持部とが一体的に１つの部品で構成されていてもよい。

上記の駆動装置において、前記支持部材は、前記第１支持部と、前記第２支持部と、外部の筐体に取り付けられる第３支持部とが一体的に１つの部品で構成されていてもよい。

上記の駆動装置において、前記突出部の先端は、前記ベアリングの前記内輪の内側で、前記回転軸に当接していてもよい。

上記の駆動装置において、前記突出部には、前記回転軸に垂直な方向の厚さが、前記ベアリングに連結される部分よりも厚い肉厚部を、前記ベアリングに連結される部分の外側に有していてもよい。

上記の駆動装置において、前記肉厚部は、前記ベアリングに当接していてもよい。

実施形態に係るロボットの概略構成を示す図。実施形態に係る第１駆動装置を示す断面図。実施形態に係る第１駆動装置を示す斜視図。実施形態に係る減速機の歯車部の詳細を示す断面図。

以下、本実施形態の駆動装置について詳細に説明する。

［ロボット］
まず、本実施形態に係るロボットについて説明する。

図１に示すロボット１は、スカラ（ＳＣＡＲＡ：Selective Compliance Assembly Robot Arm）ロボット（水平多関節ロボット）である。

ロボット１は、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送、組立等の作業を行うことができる。なお、以下の説明においてはＸＹＺ座標系を設定し、このＸＹＺ座標系を参照しつつ各部材の位置関係を説明する。この際、鉛直方向をＺ軸方向、水平方向で、かつ、基台２の長さ方向をＹ軸方向、水平方向で、かつ、基台２の幅方向をＸ軸方向とする。

ロボット１は、基台２と、第１アーム３と、第１駆動装置４と、を備える。

基台２は、ロボット１を任意の設置箇所に取り付ける部分である。基台２は、例えば、図示しない床面にボルト等によって固定される。なお、基台２の設置箇所は、特に限定されず、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上などが挙げられる。

第１アーム３は、基台２に搭載された第１駆動装置４を介して、基台２の上端部に連結している。第１アーム３は、基台２に対して鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿う第１軸Ｊ１回りに回動可能となっている。

また、ロボット１は、第２アーム５と、第２駆動装置６と、を備える。

第２アーム５は、第２アーム５に搭載された第２駆動装置６を介して、第１アーム３の先端部に連結されている。第２アーム５は、第１アーム３に対して鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿う第２軸Ｊ２回りに回動可能となっている。

第２アーム５の先端部には、作業ヘッド７が配置されている。作業ヘッド７は、第２アーム５の先端部に同軸的に配置されたスプラインナット８及びボールネジナット９と、スプラインナット８及びボールネジナット９に挿通されたスプラインシャフト１０とを備える。スプラインシャフト１０は、第２アーム５に対して、鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿う第３軸Ｊ３回りに回転可能であり、かつ、上下方向に移動（昇降）可能となっている。

スプラインシャフト１０の先端部（下端部）１１には、図示しないエンドエフェクターが連結される。エンドエフェクターとしては、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などが挙げられる。

第２アーム５内に配置された各電子部品（例えば、第２駆動装置６等）に接続される複数の配線１２は、第２アーム５と基台２とを連結する管状の配線引き回し部１３内を通って基台２内まで引き回されている。さらに、複数の配線１２は、基台２内でまとめられることによって、第１駆動装置４に接続される配線と共に、基台２の外部に設置され、ロボット１を統括制御する図示しない制御装置まで引き回される。なお、第１駆動装置４及び第２駆動装置６の駆動は、この制御装置によって制御される。

このようなロボット１では、第１駆動装置４が、第１アーム３を基台２に対して回動させる駆動力を基台２側から第１アーム３側へ伝達する。また、第２駆動装置６が、第２アーム５を第１アーム３に対して回動させる駆動力を第２アーム５側から第１アーム３側へ伝達する。なお、「回動」とはある中心点に対して一方向又はその反対方向を含めた双方向に動くこと、及び、ある中心点に対して回転することを含むものである。

［駆動装置］
以下、本実施形態に係る駆動装置について説明する。なお、駆動装置としての第１駆動装置４と第２駆動装置６とは、同様の構成であるので、以下では、第１駆動装置４のみを説明する。

図２は、本実施形態に係る第１駆動装置４の断面図であり、第１軸Ｊ１を通りＸＺ平面に平行な断面を示している。図３は、本実施形態に係る第１駆動装置４の斜視図である。図４は、本実施形態に係る減速機１６の歯車部の詳細を示す断面図であり、ＸＹ平面に平行な断面を示している。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。

第１駆動装置４は、モーター１４と、支持部材１５と、減速機１６と、を備える。

支持部材１５は、モーター１４を支持する部位である第１支持部としてのモーター支持部２６と、減速機１６を支持する部位である第２支持部としての減速機支持部２７と、第１駆動装置４を基台２の筐体に取り付ける部位である第３支持部としての基台取付部２８とを含み、これらは、一体的に１つの部品で構成されている。基台２の筐体は、外部の筐体に相当する。

モーター１４は、駆動力を発生する。モーター１４としては、特に限定されないが、例えば、ＡＣサーボモーター、ＤＣサーボモーター等のサーボモーターが好ましい。

モーター１４は、回転軸１７と、ベアリング１８と、ベアリング１９と、第１ケース２０と、第２ケース２１と、回転検出器２２とを備える。

ベアリング１８とベアリング１９は、内輪と外輪を含んで構成される転がり軸受である。回転軸１７の両端部は、ベアリング１８の内輪及びベアリング１９の内輪に締まり嵌めで固定される。ベアリング１８の外輪は、支持部材１５のモーター支持部２６に支持される。ベアリング１９の外輪は、第１ケース２０に支持される。第１ケース２０は、第２ケース２１を介して支持部材１５に固定される。

このようなモーター１４では、回転軸１７は、ベアリング１８及びベアリング１９を介して、支持部材１５に支持され、支持部材１５に対し、第１軸Ｊ１上の軸線ａまわりに回転する。回転軸１７は、ベアリング１９側の端部であるｂ端で、回転軸１７の回転を検出する回転検出器２２と連結されている。また、回転軸１７は、ベアリング１８側の端部であるｃ端で減速機１６と連結し、駆動力を減速機１６に伝達する。

減速機１６は、通称、波動歯車減速機と呼ばれる波動歯車機構による減速機であり、回転軸１７より入力された駆動力の回転を減速して出力する。出力側では、減速比に比例したトルクを得ることができる。

図２～図４に示すように、減速機１６は、内歯歯車としての剛性歯車２３と、可撓性の外歯歯車としての可撓性歯車２４と、波動発生器２５と、を備える。

剛性歯車２３は、軸線ａの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２９を備えるリング状の内歯歯車である。本実施形態では、剛性歯車２３は、平歯車である。すなわち、内歯２９は、軸線ａに対して平行な歯スジを備える。なお、内歯２９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２３は、ハスバ歯車又はヤマバ歯車であってもよい。

剛性歯車２３は、支持部材１５の減速機支持部２７に固定される。

可撓性歯車２４は、剛性歯車２３の内側に挿通されている。この可撓性歯車２４は、軸線ａの径方向に撓み変形可能な可撓性の筒状部３１を備える歯車であって、剛性歯車２３の内歯２９に噛み合う外歯３０を備える外歯歯車である。また、可撓性歯車２４の歯数は、剛性歯車２３の歯数よりも少ない。

可撓性歯車２４は、筒状部３１に加え、筒状部３１の一端から軸線ａの径方向外側に伸びる鍔部３２を備えたシルクハット型の形状である。外歯３０は、筒状部３１の他端部において軸線ａ径方向外側に形成される。

波動発生器２５は、波動発生部３３と、突出部３４と、固定部３５と、を備える。

突出部３４は、波動発生部３３の中心から垂直に、即ち回転軸１７に沿って突出する円管状の部位であり、波動発生部３３と突出部３４とは、一体的に１つの部品で構成されている。突出部３４の先端側には、ベアリング１８に嵌合される嵌合部３６が形成され、突出部３４の根本側、即ちベアリング１８に連結される嵌合部３６の外側には、嵌合部３６よりも軸線ａの径方向、即ち回転軸１７に垂直な方向に肉厚な肉厚部３７が形成されている。つまり、回転軸１７に垂直な方向の厚さは、ベアリング１８に連結される嵌合部３６よりも肉厚部３７のほうが厚い。

嵌合部３６は、モーター１４のベアリング１８の内輪に、締まり嵌めで連結され、これにより、波動発生器２５が回転軸１７に連結される。このとき嵌合部３６の先端、即ち突出部３４の先端は、ベアリング１８の内輪の内側で、回転軸１７に当接していることが好ましい。なお、締まり嵌めとは、ＪＩＳＢ０４０１－１：２０１６に記載されている「しまりばめ」である。つまり、はめ合わせたときに、穴と軸との間に常にしめしろができるはめあいであり、すなわち、穴の上の許容サイズが、軸の下の許容サイズ以下の場合を言う。

固定部３５は、例えば、ネジまたはボルトで構成され、波動発生部３３と、モーター１４の回転軸１７とを軸線ａの径方向から固定する。

波動発生部３３は、本体部３８と、本体部３８の外周に装着されているベアリング３９と、を備える。

本体部３８は、軸線ａの軸方向から見たときに、外周が楕円形又は長円形をなしている。

ベアリング３９は、可撓性の内輪４０及び外輪４１と、これらの間に配置されている複数のボール４２と、を備える転がり軸受である。内輪４０は、本体部３８の外周に嵌め込まれ、本体部３８の外周面に沿って楕円形又は長円形に弾性変形している。それに伴って、外輪４１も楕円形又は長円形に弾性変形している。また、内輪４０の外周面及び外輪４１の内周面は、それぞれ、複数のボール４２を周方向に沿って案内させつつ転動させる軌道面となっている。また、複数のボール４２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。

波動発生器２５は、可撓性歯車２４の内側に挿通され、軸線ａまわりに回転可能である。そして、波動発生部３３は、可撓性歯車２４の筒状部３１の内周面に接し、筒状部３１を、長軸Ｌａ及び短軸Ｌｂとする楕円形又は長円形に撓めて外歯３０を剛性歯車２３の内歯２９に部分的に噛み合わせる。ここで、可撓性歯車２４及び剛性歯車２３は、軸線ａまわりに回転可能に互いに内外で噛み合わされる。

このような減速機１６において、波動発生器２５に、前述したモーター１４からの駆動力が入力されると、剛性歯車２３及び可撓性歯車２４は、互いの噛み合い位置が周方向に移動しながら、歯数差に起因して軸線ａまわりに相対的に回転する。これにより、駆動源であるモーター１４の回転軸１７から波動発生器２５に入力された駆動力の回転が減速され、可撓性歯車２４から出力される。そして、出力側では、減速比に比例したトルクを得ることができる。すなわち、波動発生器２５を入力側、可撓性歯車２４を出力側とする減速機を実現することができる。

以下、本実施形態における第１駆動装置４の組立て方法の一例について簡単に説明する。ただしモーター１４の組立てについては省略する。また組立ての順序については下記に限定されない。

まず、モーター１４が、支持部材１５に組付けられる。このとき、モーター１４の第２ケース２１は、支持部材１５と当接する。また、予めモーター１４の回転軸１７に内輪が締まり嵌めで固定されているベアリング１８の外輪が、モーター支持部２６に支持される。ここで、ベアリング１８の外輪は、直接又は間接的にモーター支持部２６に固定されることが望ましい。固定方法は特に限定されないが、接着剤、溶接、圧入、冷やし嵌め、焼き嵌めなどが挙げられる。ただし、ベアリング１８の外輪は、モーター支持部２６に対し、軸線ａの径方向の移動が隙間嵌めなどで規制され、軸線ａの軸方向の移動がバネなどによる予圧で規制されていれば、完全に固定されていなくてもよい。

次に、波動発生器２５が、モーター１４のベアリング１８の内輪に締まり嵌めで組付けられる。このとき波動発生器２５の突出部３４の先端は、ベアリング１８の内輪の内側で、回転軸１７に当接することが好ましい。締まり嵌めによる組付方法は特に限定されないが、圧入、冷やし嵌め、焼き嵌めなどが挙げられる。

次に、波動発生器２５と、モーター１４の回転軸１７とが固定部３５により、軸線ａの径方向から固定される。固定方法は特に限定されないが、ネジ又はボルトによる固定以外に、接着剤、溶接などによる固定であってもよい。

次に、可撓性歯車２４が、剛性歯車２３に回動可能に組付けられる。組付方法は特に限定されないが、鍔部３２でのネジ又はボルトによる組付、接着剤、溶接などが挙げられる。

次に、剛性歯車２３が、支持部材１５の減速機支持部２７に組付けられる。組付方法は特に限定されないが、ネジ又はボルトによる固定、接着剤、溶接、圧入、冷やし嵌め、焼き嵌めなどが挙げられる。
以上により、第１駆動装置４が完成する。

本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、回転軸１７と、波動発生器２５の突出部３４とをベアリング１８の内輪に締まり嵌めで連結することで、回転軸１７に対する波動発生器２５の同軸精度が向上し、減速機１６の機械的寿命の低下を抑制することができる。

本実施形態によれば、突出部３４の先端が、ベアリング１８の内輪の内側で、回転軸１７に当接していることにより、ベアリング１８の内輪と回転軸１７に対し、波動発生器２５をより安定して連結できるため、傾きに対する組付精度が向上し、減速機１６の機械的寿命の低下を抑制することができる。さらに、ベアリング１８の内輪に対し、回転軸１７と波動発生器２５の接触する面積が増えるため、ベアリング１８で発生する摩擦熱を周辺部品に逃がしやすくなり、ベアリング１８の寿命の低下を抑制することができる。

本実施形態によれば、ベアリング１８を介してモーター１４を支持するモーター支持部２６と、剛性歯車２３を固定する減速機支持部２７とが支持部材１５として一体的に１つの部品で構成されていることにより、波動発生器２５に対する剛性歯車２３の同軸精度がさらに向上し、減速機１６の機械的寿命の低下をさらに抑制することができる。

本実施形態によれば、モーター支持部２６と、減速機支持部２７と、基台取付部２８とが支持部材１５として一体的に１つの部品で構成されていることにより、第１駆動装置４を、他の部品を介さずに直接基台２に固定することができる。

本実施形態によれば、波動発生部３３に対する、突出部３４の根元に、肉厚部３７を設けることで、突出部３４の強度を向上させることができる。

また、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。

上記実施形態では、肉厚部３７はベアリング１８と当接していないが、これに限定されず、肉厚部３７はベアリング１８と当接していてもよい。この場合、ベアリング１８に対し、波動発生器２５をより安定して連結できるため、傾きに対する組付精度が向上し、減速機１６の機械的寿命の低下を抑制することができる。さらに、波動発生器２５とベアリング１８の接触面積が増えるため、ベアリング１８で発生する摩擦熱を周辺部品に逃がしやすくなり、ベアリング１８の寿命の低下を抑制することができる。

上記実施形態では、可撓性歯車２４は、シルクハット型の形状であるが、これに限定されず、例えば筒状部３１の一端がカップの底状に閉じられた、カップ型の形状でもよい。

上記実施形態では、ロボット１は、スカラロボットであるが、これに限定されず、例えば、垂直多関節ロボットであってもよい。さらに、第１駆動装置４は、ロボット以外の装置に組み込まれてもよい。

上記実施形態では、支持部材１５は、モーター支持部２６と、減速機支持部２７と、基台取付部２８と、を含み、これらは、一体的に１つの部品で構成されているが、これに限定されず、例えば、モーター支持部２６と、減速機支持部２７と、基台取付部２８と、がそれぞれ別の部品で構成され、ネジ又はボルトなどで締結されるような構造であってもよい。

上記実施形態では、波動発生器２５と、モーター１４の回転軸１７とは波動発生器２５の固定部３５により、軸線ａの径方向から固定されるが、これに限定されず、例えば、軸線ａの軸方向より、波動発生器２５と、回転軸１７と、が直接又は間接的に、ネジ又はボルトなどで固定される構造であってもよい。また、ベアリング１８の内輪と、波動発生器２５とが締まり嵌めにより、モーター１４の駆動力を超える力で固定されるのであれば、固定部３５による固定構造はなくてもよい。

以下に、実施形態から導き出される内容を記載する。

この構成によれば、モーターの回転軸と、波動発生器の突出部とがベアリングの内輪に締まり嵌めで連結されるため、回転軸に対する波動発生器の同軸精度が向上し、減速機の機械的寿命の低下を抑制することができる。

この構成によれば、第１支持部と、第２支持部とを１つの部品とすることで、波動発生器に対する内歯歯車の同軸精度がさらに向上し、減速機の機械的寿命の低下をさらに抑制することができる。

この構成によれば、第１支持部と、第２支持部と、第３支持部とを１つの部品とすることで、駆動装置を直接外部の筐体へ固定することができる。

この構成によれば、ベアリングの内輪とモーターの回転軸に対し、波動発生器をより安定して連結できるため、傾きに対する組付精度が向上し、減速機の機械的寿命の低下を抑制することができる。また、ベアリングの内輪に対し、回転軸と波動発生器の接触する面積が増えるため、ベアリングで発生する摩擦熱を周辺部品に逃がしやすくなり、ベアリングの寿命の低下を抑制することができる。

この構成によれば、波動発生器の突出部根元に肉厚部を設けることで、突出部の強度が向上する。

この構成によれば、ベアリングに対し、波動発生器をより安定して連結できるため、傾きに対する組付精度が向上し、減速機の機械的寿命の低下を抑制することができる。また、波動発生器とベアリングの接触面積が増えるため、ベアリングで発生する摩擦熱を周辺部品に逃がしやすくなり、ベアリングの寿命の低下を抑制することができる。

１…ロボット、２…基台、３…第１アーム、４…第１駆動装置、５…第２アーム、６…第２駆動装置、７…作業ヘッド、８…スプラインナット、９…ボールネジナット、１０…スプラインシャフト、１１…先端部（下端部）、１２…配線、１３…配線引き回し部、１４…モーター、１５…支持部材、１６…減速機、１７…回転軸、１８…ベアリング、１９…ベアリング、２０…第１ケース、２１…第２ケース、２２…回転検出器、２３…剛性歯車、２４…可撓性歯車、２５…波動発生器、２６…モーター支持部、２７…減速機支持部、２８…基台取付部、２９…内歯、３０…外歯、３１…筒状部、３２…鍔部、３３…波動発生部、３４…突出部、３５…固定部、３６…嵌合部、３７…肉厚部、３８…本体部、３９…ベアリング、４０…内輪、４１…外輪、４２…ボール、Ｊ１…第１軸、Ｊ２…第２軸、Ｊ３…第３軸、Ｌａ…長軸、Ｌｂ…短軸、ａ…軸線。

Claims

回転軸を有するモーターと、前記回転軸の回転を減速させる波動歯車減速機と、前記モーター及び前記波動歯車減速機を支持する支持部材と、を備えた駆動装置であって、
前記波動歯車減速機は、
前記支持部材に固定される内歯歯車と、
前記内歯歯車に部分的に噛み合う可撓性の外歯歯車と、
前記回転軸に連結され、前記外歯歯車の内周面に接し、前記外歯歯車を撓めて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、
前記波動発生器は、前記回転軸に沿って突出する突出部を有し、
前記回転軸は、内輪及び外輪を有するベアリングを介して前記支持部材に支持され、
前記ベアリングの前記外輪は、前記支持部材に支持され、前記ベアリングの前記内輪と前記回転軸とは、締まり嵌めで固定されており、前記ベアリングの前記内輪と前記突出部とは、締まり嵌めで固定されていて、
前記突出部の先端は、前記ベアリングの前記内輪の内側で、前記回転軸に当接していることを特徴とする駆動装置。
請求項１に記載の駆動装置において、
前記支持部材は、前記ベアリングを支持する第１支持部と、前記内歯歯車を固定する第２支持部とが一体的に１つの部品で構成されていることを特徴とする駆動装置。
請求項２に記載の駆動装置において、
前記支持部材は、前記第１支持部と、前記第２支持部と、外部の筐体に取り付けられる第３支持部とが一体的に１つの部品で構成されていることを特徴とする駆動装置。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の駆動装置において、
前記突出部は、前記回転軸に交差する径方向の厚さが、前記ベアリングに連結される部分よりも厚い肉厚部を有し、
前記肉厚部は、前ベアリングに連結される部分よりも前記突出部の根元側に位置することを特徴とする駆動装置。
請求項４に記載の駆動装置において、
前記肉厚部は、前記ベアリングに当接していることを特徴とする駆動装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の駆動装置において、
前記回転軸と前記突出部とが前記回転軸に交差する径方向に並んでいる領域で、前記回転軸の外径と前記突出部の内径とは隙間嵌めで固定されていることを特徴とする駆動装置。
請求項６に記載の駆動装置において、
前記波動発生器と前記回転軸とを前記径方向から固定する固定部とを有することを特徴とする駆動装置。