以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態に係る歯車装置1は、例えばロボットの旋回胴や腕関節等の旋回部または各種工作機械の旋回部に減速機として適用される歯車装置である。歯車装置1は、例えばベースとそれに対して相対的に旋回する旋回体との間に設けられて、入力された回転数に対して所定の比で減速された回転数の駆動力を出力する歯車伝動装置である。
図1に示すように、本実施形態の歯車装置1は、外筒部2と、内歯ピン3と、内筒部としてのキャリア4と、主軸受6と、クランク軸20と、クランク軸受22と、揺動歯車24と、クランク軸20に固定された伝達歯車18とを備えている。なお、本実施形態では、後述するように、複数のクランク軸20が設けられているので、複数の伝達歯車18が設けられている。
外筒部2は、一方の相手部材(例えば、ロボットのベース)に固定可能に構成されており、歯車装置1のケースとしても機能する。この外筒部2は、内周面を有する略円筒状に形成されている。外筒部2は、ロボットのベースにボルト等によって締結される。
外筒部2の内周面には、多数の内歯ピン3が周方向に等間隔で配設されている。内歯ピン3は、外歯歯車からなる揺動歯車24の歯部が噛み合う内歯として機能する。揺動歯車24の歯部の数は、内歯ピン3の数よりも若干少なくなっている。なお、本実施形態では、複数(例えば2つ)の揺動歯車24が用いられている。
キャリア4は、他方の相手部材(例えば、ロボットの旋回体)に固定可能に構成されている。すなわち、キャリア4は、図略のボルト等によってロボットの旋回体に締結される。キャリア4は、外筒部2と同軸上に配置された状態で外筒部2内に収容されている。キャリア4は、軸方向に離間して一対に設けられた主軸受6により外筒部2に対して相対回転可能に支持されている。したがって、キャリア4は、外筒部2に対して同じ軸回りに相対回転する。キャリア4が外筒部2に対して相対回転すると、ロボットの旋回体は、ベースに対して旋回する。
なお、本実施形態ではキャリア4を旋回体に締結して旋回するようにし、外筒部2をベースに固定して不動にしている例が示されているが、その逆の配置でもよい。すなわち、外筒部2が旋回体に締結され、キャリア4がベースに締結されていてもよい。この場合には、外筒部2がキャリア4に対して相対回転することにより、ロボットの旋回体は、ベースに対して旋回することになる。
キャリア4は、基部32と端板部34とを備えている。基部32は、外筒部2内においてその外筒部2の端部近傍に配置される基板部32aと、その基板部32aから端板部34に向かって軸方向に延びる複数のシャフト部32bとを有する。シャフト部32bは、ボルト5によって端板部34に締結されている。これにより、基部32と端板部34とが一体化されている。そして、基板部32aと端板部34との間には、揺動歯車24を収納する収容空間33が形成されている。また、キャリア4の径方向中央部には、基板部32a及び端板部34に亘って軸方向に貫通する貫通孔4aが設けられている。
クランク軸20は、複数(本実施形態では、例えば3本)設けられており、各クランク軸20はキャリア4の周方向に等間隔に配置されている。各クランク軸20は、一対のクランク軸受22を介してキャリア4に回転自在に支持されており、この状態でキャリア4の回転軸心に平行になる姿勢で配設されている。
クランク軸20は、軸本体20cと、軸本体20cに一体的に形成された複数(本実施形態では2つ)の偏心部20aと、を有している。複数の偏心部20aは、クランク軸受22がそれぞれ装着される一対のジャーナル部20dの間の位置で、軸方向に並ぶように配置されている。各偏心部20aは、それぞれ軸本体20cの軸心から所定の偏心量で偏心した円柱状に形成されている。そして、各偏心部20aは、互いに所定角度の位相差を有するようにクランク軸20に形成されている。なお、偏心部20aは、1つ又は3つ以上設けられていてもよい。
揺動歯車24は、クランク軸20の各偏心部20aにそれぞれころ軸受28aを介して取り付けられている。揺動歯車24は、外筒部2の内径よりも少し小さく形成されている。揺動歯車24は、クランク軸20が回転するときに偏心部20aの回転に連動し、歯部が外筒部2内面の内歯ピン3に噛み合いながら揺動回転する。
揺動歯車24は、中央部貫通孔24bと、複数の偏心部挿通孔24cと、複数のシャフト部挿通孔24dとを有する。中央部貫通孔24bは揺動歯車24の径方向中央部に形成されている。中央部貫通孔24bは省略することができる。
偏心部挿通孔24cは、揺動歯車24において中央部貫通孔24bの周囲に周方向に等間隔で設けられている。各偏心部挿通孔24cには、ころ軸受28aを介装した状態で各クランク軸20の偏心部20aがそれぞれ挿通されている。
シャフト部挿通孔24dは、揺動歯車24において中央部貫通孔24bの周囲に周方向に等間隔で設けられている。各シャフト部挿通孔24dは、周方向に隣り合う偏心部挿通孔24c間の位置にそれぞれ形成されている。各シャフト部挿通孔24dには、キャリア4の各シャフト部32bが遊びを有した状態で挿通されている。
基板部32a側のクランク軸20の端部は、一方のクランク軸受22が装着されるジャーナル部20dとして形成されている。一方、端板部34側のクランク軸20の端部は、もう一方のクランク軸受22が装着されるもう一方のジャーナル部20dから延出された延出部20eとして形成されている。すなわち、クランク軸20の軸本体20cは、一対のジャーナル部20dと、延出部20eとを有している。
延出部20eは、本実施形態では、キャリア4の軸方向に沿って当該キャリア4から外側に突出している。ただし、延出部20eがキャリア4の外側に突出した形態に限られるものではなく、キャリア4に対する伝達歯車18の干渉がないような場合には、延出部20eは、軸方向においてキャリア4の範囲内に収まる形態であってもよい。
延出部20eには、伝達歯車18が装着されている。伝達歯車18には内孔18aが形成されていて、この内孔18aに延出部20eが挿入された状態で、伝達歯車18が延出部20eに固定されている。
伝達歯車18は、外歯18bを有する歯車本体18cと、歯車本体18cから軸方向に突出した突出部18dとを有している。歯車本体18cは、円板状に形成されていて、歯車本体18cの外周部には外歯18bが形成されている。突出部18dは、歯車本体18cの一方の面から張り出すように、歯車本体18cと同心状の円柱状に形成されている。そして、内孔18aは、歯車本体18cから突出部18dに亘って伝達歯車18を貫通するように形成されている。伝達歯車18の外歯18bは、図外のインプットギアに噛み合う。このインプットギアから受けた駆動力によって、伝達歯車18は回転する。伝達歯車18は、インプットギアから受けた駆動力をクランク軸20に伝達する。
ここで、クランク軸20への伝達歯車18の取付構造について具体的に説明する。
図2にも示すように、クランク軸20(又は軸本体20c)の一端部である延出部20eには、スプライン加工が施されている。これにより、延出部20eには、周方向に並ぶ複数の凹部38aを有する雄スプライン部38が形成されている。すなわち、延出部20eの外周面には、クランク軸20(又は軸本体20c)の軸方向に延びる複数の凹部38aが、周方向に間隔をおいて形成されている。各凹部38aは、延出部20eの端面(又はクランク軸20の端面又は軸本体20cの端面)から所定の長さに亘って形成されている。
軸方向における凹部38aの内側部(延出部20eの端面とは反対側の部位)の底面は、軸方向の内側に向かって次第に浅くなるように、斜面38bとなっている。言い換えると、斜面38bは、雄スプライン部38の奥へ(端面から離れる方向へ;図2の左方向へ)行くほど軸本体20cの半径方向外側へ向かう傾斜となっている。この斜面38bとしては、例えば、スプライン加工用のホブを有する切削加工機によって延出部20eを切削加工する際に生じるホブ切上がり部が採用され得る。
なお、斜面38bの形成方法について特に限定するものではなく、他の形成方法によって凹部38aの底部に斜面38bを形成してもよい。また、斜面38bが省略された構成であってもよい。この場合、凹部38aの深さは、軸方向にほぼ一定であって、凹部38aの内端部が略垂直に切り立っている構成であってもよい。
延出部20eにおいて、隣り合う凹部38a,38a間の凸部38cとして形成されている部位の外面の一部が切除されている。このため、凸部38cでは、軸方向内側の部位に比べ、延出部20eの端部側の部位が一段低くなっている。そして、この外面が低くなった端部側の部位では、伝達歯車18の内孔18aの内周面が密着するのではなく、内孔18aの内周面と延出部20eの外面との間に僅かに隙間が形成されている。この隙間は、内孔18aのうち、少なくとも歯車本体18cに対応する部位を含む範囲に形成されている。
なお、凸部38cに一段低くなった部位を形成しているが、必ずしも段差が必要であるわけではない。段差がなくてもよいし、あるいは、本実施形態とは逆に、延出部20eの端部側の部位に比べて軸方向内側において、クランク軸20の外周面20fが一段低く形成されていてもよい。
伝達歯車18の内孔18aのうち、歯車本体18cに位置する部位の内周面には、スプライン歯切り加工が施されている。これにより、内孔18aの当該部位の内周面には、周方向に並ぶ複数の凸部40aを有する雌スプライン部40が形成されている。すなわち、内孔18aの内周面には、伝達歯車18の軸方向(又は厚み方向)に延びる複数の凸部40aが、周方向に間隔をおいて形成されている。各凸部40aは、雄スプライン部38の凹部38aに適合した形状に形成されている。そして、雄スプライン部38の凹部38aに雌スプライン部40の凸部40aが挿入されている。この状態では、伝達歯車18は、クランク軸20の軸回りに回動することはできず、軸回りの方向の変位が規制されている。すなわち、雌スプライン部40の凸部40aは、クランク軸20に対して伝達歯車18をクランク軸20の回転方向に係止する係止部として機能する。
伝達歯車18の内孔18aのうち、突出部18d内に位置する部位の内周面18eは、延出部20eにおける軸方向内側の部位の外周面20fに密着している。すなわち、延出部20eは、突出部18dにおいて拘束されるように、伝達歯車18の内孔18aに圧入されている。これにより、クランク軸20に対する伝達歯車18の軸方向及び回転方向の変位が規制されている。伝達歯車18の内孔18aにおいては、クランク軸20が圧入されてクランク軸20の外周面20fが密着する部位とは別個に、クランク軸20の回転方向における伝達歯車18の回動を規制する係止部(凸部40a)が設けられている。
なお、延出部20eにおける端部側の部位では、内孔18aの内周面18eとの間に僅かに隙間が形成されているので、延出部20eを内孔18aに圧入する際には、比較的弱い力で内孔18a内に押し込むことができる。
伝達歯車18は、延出部20eの端面が、伝達歯車18の一方の面と略面一の状態になるように、クランク軸20に取り付けられている。すなわち、圧入の際に、平板状の図外の治具を伝達歯車18の前記一方の面に当てることにより、クランク軸20(延出部20e)の先端部が内孔18aから突出しないようにすることができる。このようにして、伝達歯車18の軸方向の位置決めを行うことができる。
なお、本実施形態では、クランク軸20の先端側の縁(すなわち、雄スプライン部38の凸部38cの縁)は、面取り加工されているが、これに限定されるものではなく、面取り加工は施されなくてもよい。
次に、本実施形態による歯車装置1の動作について説明する。
各伝達歯車18が、図外のインプットギアによって駆動されると、各クランク軸20は、それぞれの軸回りに回転する。すなわち、伝達歯車18にはクランク軸20を回転させるための駆動力が入力される。そして、各クランク軸20の回転に伴って、クランク軸20の偏心部20aが偏心回転する。これにより、揺動歯車24は、偏心部20aの偏心回転に連動して外筒部2の内面の内歯ピン3に噛み合いながら揺動回転する。本実施形態では、外筒部2はベースに固定されて不動であるので、揺動歯車24の揺動回転によって、キャリア4が軸回りに回転する。それによって、キャリア4および旋回体は、入力された回転から減速された回転数で外筒部2及びベースに対して相対回転する。
以上説明したように、本実施形態では、伝達歯車18が回転することによってクランク軸20が回転すると、偏心部20aの回転に連動して揺動歯車24が揺動回転する。このとき、揺動歯車24の外歯が外筒部2の内歯ピン3と噛み合いながら、揺動歯車24が揺動回転するため、それに連動して、キャリア4と外筒部2との間で相対回転が生ずる。このとき、伝達歯車18がクランク軸20に対してがたつくことはない。すなわち、クランク軸20が伝達歯車18の内孔18aに圧入されることによって、クランク軸20に対する伝達歯車18の変位が規制されている。このため、伝達歯車18がクランク軸20に対してがたつくことはない。したがって、伝達歯車18は、クランク軸20に接触した部分において摩耗することを抑止することができ、しかも、伝達歯車18の振動を抑止することができる。また、伝達歯車18の軸方向移動を規制するための止め輪をクランク軸20に装着する必要がないため、クランク軸20を伝達歯車18から突出させる必要がない。このため、その分だけ歯車装置1の軸方向長さを短くすることができる。
また本実施形態では、伝達歯車18の内孔18aにクランク軸20が圧入されることによってクランク軸20に対して伝達歯車18が固定される一方で、圧入によってクランク軸20の外周面20fに密着している部位以外のところにおいて、伝達歯車18の内孔18aには、クランク軸20に対して伝達歯車18を回転方向に係止する凸部40aが形成されている。このため、伝達歯車18からクランク軸20に駆動力を伝達するトルクが発生したとしても、クランク軸20に対して伝達歯車18が回転方向に変位してしまうことを防止することができる。したがって、クランク軸20が伝達歯車18の内孔18aに圧入されているにも拘わらず、回転トルクを受けて伝達歯車18が回転方向に回動してしまう、という事態をより確実に回避することができる。
また本実施形態では、伝達歯車18が歯車本体18cと突出部18dとを有し、凸部40aは、内孔18aのうち歯車本体18cに位置する部位に形成されている。このため、伝達歯車18を回転させるトルクを歯車本体18cの外歯18bにおいて受けたときに、内孔18aのうち歯車本体18cに位置する凸部40aがクランク軸20に係止される。したがって、回転トルクによって伝達歯車18を回転させる力を凸部40aにおいて確実に受け止めることができる。そして、内孔18aのうち、少なくとも突出部18dに位置する部位においてクランク軸20が圧入されているので、圧入によってクランク軸20の外周面20fに密着する部位の面積を大きくすることができる。したがって、圧入によるがたつき防止効果をより有効に発揮させることができる。
なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、前記実施形態では、クランク軸20への伝達歯車18の組み付け時に、図略の治具を用いて、伝達歯車18をクランク軸20の所定位置に位置決めする構成となっている。この構成に代え、図3に示すように、伝達歯車18をクランク軸20の所定位置に位置決めするための位置決め部材42が設けられていてもよい。
具体的には、位置決め部材42は、クランク軸20の延出部20eに外嵌された上で、一方のクランク軸受22と伝達歯車18との間に挟み込まれている。クランク軸受22は、偏心部20aに隣接する位置に設けられたワッシャ44に当接しているため、クランク軸受22の位置は所定位置に定まっている。そして、このクランク軸受22に当接する位置決め部材42も所定位置に定まるため、伝達歯車18は位置決め部材42に当接することにより、所定位置に定められる。したがって、クランク軸20に対する伝達歯車18の軸方向位置を正確に位置決めすることができる。
また、伝達歯車18の内孔18aに形成された雌スプライン部40とクランク軸20の雄スプライン部38とを利用して、クランク軸20に対して伝達歯車18を所定の位置に位置決めするようにしてもよい。前述したように、延出部20eの凹部38aにおける内側部(延出部20eの端面とは反対側の部位)の底面は、軸方向の内側に向かって次第に浅くなるように、斜面38bとなっている。このため、図4に示すように、雌スプライン部40の凸部40aにおける端部が、雄スプライン部38の凹部38aにおける底面の斜面38bに当接することにより、伝達歯車18は、クランク軸20に対して所定の位置で固定される。すなわち、斜面38bが雌スプライン部40の凸部40aに強く押し当てられることによってその接触面において大きな摩擦力が発生する、いわゆるさび効果が得られるので、当該伝達歯車18は、当該クランク軸20に食い付いた状態で拘束される。
この形態では、雌スプライン部40の凸部40aが、雄スプライン部38の凹部38aに形成された斜面38bに嵌合するところで、クランク軸20に対して伝達歯車18が拘束される。したがって、雄スプライン部38の凹部38aに形成された斜面38bを利用して伝達歯車18の軸方向位置決めを行うことができる。
前記実施形態では、クランク軸20に対して伝達歯車18が回転方向に係止される係止部として、雌スプライン部40の凸部40aが設けられる構成について説明した。この構成に代え、伝達歯車18の内孔18aにキー溝が形成されていて、このキー溝に雄スプライン部38の凸部38cが係止される構成としてもよい。この場合、キー溝の側面が係止部として機能することになる。
前記実施形態では、クランク軸20が端板部34側に突出する延出部20eを有し、端板部34側に伝達歯車18が配置された構成となっている。この構成に代え、クランク軸20の延出部20eが基板部32a側に配置され、伝達歯車18が基板部32a側に配置された構成であってもよい。
前記実施形態では、2つの揺動歯車24,24が設けられた構成としたが、これに限られるものではない。例えば、1つの揺動歯車24が設けられる構成、又は3つ以上の揺動歯車24が設けられる構成であってもよい。
前記実施形態では、複数のクランク軸20が中央の貫通孔4aの周囲に配設された構成としたがこれに限られるものではない。例えば、1つのクランク軸20がキャリア4の中央部に配設されたセンタークランク式であってもよい。
ここで、前記実施形態について概説する。
(1)前記実施形態では、伝達歯車が回転することによってクランク軸が回転すると、偏心部の回転に連動して揺動歯車が揺動回転する。このとき、揺動歯車の歯部が外筒部の内歯と噛み合いながら揺動歯車が揺動回転するため、それに連動して、内筒部と外筒部との間で相対回転が生ずる。このとき、伝達歯車がクランク軸に対してがたつくことはない。すなわち、クランク軸が伝達歯車の内孔に圧入されることによって、クランク軸に対する伝達歯車の変位が規制されている。このため、伝達歯車がクランク軸に対してがたつくことはない。したがって、伝達歯車は、クランク軸に接触した部分において摩耗することを抑止することができ、しかも、伝達歯車の振動を抑止することができる。また、伝達歯車の軸方向移動を規制するための止め輪をクランク軸に装着する必要がないため、クランク軸を伝達歯車から突出させる必要がない。このため、その分だけ歯車装置の軸方向長さを短くすることができる。
(2)前記内孔には、圧入によって前記クランク軸の外面に密着している部位以外のところにおいて、前記クランク軸に対して前記伝達歯車が回転方向に係止される係止部が形成されていてもよい。
この態様では、伝達歯車の内孔にクランク軸が圧入されることによってクランク軸に対して伝達歯車が固定される一方で、圧入によってクランク軸の外面に密着している部位以外のところにおいて、伝達歯車の内孔には、クランク軸に対して伝達歯車を回転方向に係止する係止部が形成されている。このため、伝達歯車からクランク軸に駆動力を伝達するトルクが発生したとしても、クランク軸に対して伝達歯車が回転方向に変位してしまうことを確実に防止することができる。したがって、クランク軸が伝達歯車の内孔に圧入されているにも拘わらず、回転トルクを受けて伝達歯車が回転方向に回動してしまう、という事態をより確実に回避することができる。
(3)前記伝達歯車は、外歯を有する歯車本体と、前記歯車本体から軸方向に突出した突出部とを有していてもよい。前記クランク軸は、前記内孔のうち、少なくとも前記突出部に位置する部位において圧入されていてもよい。前記係止部は、前記内孔のうち前記歯車本体に位置する部位に形成されていてもよい。
この態様では、伝達歯車を回転させるトルクを歯車本体の外歯において受けると、内孔のうち歯車本体に位置する係止部がクランク軸に係止される。したがって、回転トルクによって伝達歯車を回転させる力を係止部において確実に受け止めることができる。そして、内孔のうち、少なくとも突出部に位置する部位においてクランク軸が圧入されているので、圧入によってクランク軸の外面に密着する部位の面積を大きくすることができる。したがって、圧入によるがたつき防止効果をより有効に発揮させることができる。
(4)前記クランク軸には、クランク軸受が外嵌されていてもよい。この場合、前記伝達歯車と前記クランク軸受との間に挟み込まれた位置決め部材が設けられていてもよい。
この態様では、伝達歯車を位置決め部材に当接させることにより、クランク軸に対する伝達歯車の位置が定まる。したがって、クランク軸に対する伝達歯車の軸方向位置を正確に位置決めすることができる。
(5)前記クランク軸の端部には、前記伝達歯車をスプライン結合させる雄スプライン部が形成されていてもよい。前記内孔には、前記雄スプライン部に対応した形状の雌スプライン部が形成されていてもよい。前記雌スプライン部の凸部が、前記雄スプライン部の凹部に形成された斜面に嵌合していてもよい。
この態様では、雌スプライン部の凸部が、雄スプライン部の凹部に形成された斜面に嵌合するところで、クランク軸に対して伝達歯車が拘束される。したがって、雄スプライン部の凹部に形成された斜面を利用して伝達歯車の軸方向位置決めを行うことができる。
以上説明したように、前記実施形態によれば、偏心揺動型歯車装置において、軸方向長さを抑制するとともに、クランク軸に対する伝達歯車のガタを無くすことができる。