(57)【要約】【課題】外歯歯車に発生する負荷応力が低減され、長寿命化が図られた歯車装置および歯車装置ユニット、ならびに、信頼性の高いロボットを提供すること。【解決手段】内歯歯車と、回転軸の回りに配置されていて前記内歯歯車に噛み合う外歯、前記回転軸に沿って前記外歯と並んでいる胴部、および前記外歯の内面にある内周面を備え、可撓性を有して前記内歯歯車に対して前記回転軸まわりに相対的に回転する外歯歯車と、前記内周面に接触する外輪、内輪、および前記外輪と前記内輪との間に介在するボールを有するベアリングを備え、前記内歯歯車と前記外歯歯車との噛み合い位置を前記回転軸まわりに移動させる波動発生器と、を有し、前記回転軸に垂直な方向からの平面視で、前記外歯の歯幅をＬとし、前記外歯の前記胴部とは反対側の端から前記ボールの中心までの距離をＬ１としたとき、０．３０≦Ｌ１／Ｌ≦０．５０を満足することを特徴とする歯車装置。【選択図】図４
2020034128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内歯歯車と、
回転軸の回りに配置されていて前記内歯歯車に噛み合う外歯、前記回転軸に沿って前記外歯と並んでいる胴部、および前記外歯の内面にある内周面を備え、可撓性を有して前記内歯歯車に対して前記回転軸まわりに相対的に回転する外歯歯車と、
前記内周面に接触する外輪、内輪、および前記外輪と前記内輪との間に介在するボールを有するベアリングを備え、前記内歯歯車と前記外歯歯車との噛み合い位置を前記回転軸まわりに移動させる波動発生器と、
を有し、
前記回転軸に垂直な方向からの平面視で、前記外歯の歯幅をＬとし、前記外歯の前記胴部とは反対側の端から前記ボールの中心までの距離をＬ１としたとき、
０．３０≦Ｌ１／Ｌ≦０．５０を満足することを特徴とする歯車装置。
【請求項２】
０．４５≦Ｌ１／Ｌ≦０．５０を満足する請求項１に記載の歯車装置。
【請求項３】
前記外歯の歯幅方向に沿った前記外輪の幅をＢとしたとき、０．４０≦Ｂ／Ｌ≦０．９５を満足する請求項１または２に記載の歯車装置。
【請求項４】
前記外歯歯車のピッチ円直径は、２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲内である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の歯車装置。
【請求項５】
前記外歯歯車のピッチ円直径は、３５ｍｍ以上８０ｍｍ以下の範囲内である請求項４に記載の歯車装置。
【請求項６】
内歯歯車と、
回転軸の回りに配置されていて前記内歯歯車に噛み合う外歯、前記回転軸に沿って前記外歯と並んでいる胴部、および前記外歯の内面にある内周面を備え、可撓性を有して前記内歯歯車に対して前記回転軸まわりに相対的に回転する外歯歯車と、
前記内周面に接触する外輪、内輪、および前記外輪と前記内輪との間に介在するボールを有するベアリングを備え、前記内歯歯車と前記外歯歯車との噛み合い位置を前記回転軸まわりの周方向に移動させる波動発生器と、
前記内歯歯車、前記外歯歯車および前記波動発生器を収納し、前記外歯歯車に対して前記波動発生器を位置決めするケースと、
を有し、
前記回転軸に垂直な方向からの平面視で、前記外歯の歯幅をＬとし、前記外歯の前記胴部とは反対側の端から前記ボールの中心までの距離をＬ１としたとき、
０．３０≦Ｌ１／Ｌ≦０．５０を満足することを特徴とする歯車装置ユニット。
【請求項７】
第１部材と、
第２部材と、
前記第１部材に対して前記第２部材を相対的に回転させる駆動力を前記第１部材および前記第２部材のうちの一方側から他方側へ伝達する歯車装置と、
前記駆動力を発生させる駆動源と、
を有し、
前記歯車装置は、
内歯歯車と、
回転軸の回りに配置されていて前記内歯歯車に噛み合う外歯、前記回転軸に沿って前記外歯と並んでいる胴部、および前記外歯の内面にある内周面を備え、可撓性を有して前記内歯歯車に対して前記回転軸まわりに相対的に回転する外歯歯車と、
前記内周面に接触する外輪、内輪、および前記外輪と前記内輪との間に介在するボールを有するベアリングを備え、前記内歯歯車と前記外歯歯車との噛み合い位置を前記回転軸まわりに移動させる波動発生器と、
を有し、
前記回転軸に垂直な方向からの平面視で、前記外歯の歯幅をＬとし、前記外歯の前記胴部とは反対側の端から前記ボールの中心までの距離をＬ１としたとき、
０．３０≦Ｌ１／Ｌ≦０．５０を満足することを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車装置、歯車装置ユニットおよびロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、そのモーターの駆動力による回転を歯車装置（減速機）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。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の歯車式調和減速機は、剛性の環状内歯歯車部材と、この内側に配置された可撓性のカップ型外歯歯車部材と、このカップ型外歯歯車部材を半径方向に撓ませて、外歯を環状内歯歯車部材の内歯に対して部分的に噛み合わせるとともに、ボールベアリングを備えて噛み合わせ位置を円周方向に移動させる波動発生器と、を有する。そして、波動発生器が有するボールの中心位置は、カップ型外歯歯車部材の開放端から歯幅方向に測定したとき、外歯の歯幅の１／２以内にあることが開示されている。これにより、外歯と内歯との噛み合いを維持することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平０４−１２８５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、波動発生器のボールの中心位置を、特許文献１に記載の位置にした場合、外歯と内歯との噛み合い量が減少する。そうすると、一部の外歯に発生する負荷応力が高くなることがある。このため、外歯歯車部材の耐久性が低下するおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の適用例に係る歯車装置は、内歯歯車と、
回転軸の回りに配置されていて前記内歯歯車に噛み合う外歯、前記回転軸に沿って前記外歯と並んでいる胴部、および前記外歯の内面にある内周面を備え、可撓性を有して前記内歯歯車に対して前記回転軸まわりに相対的に回転する外歯歯車と、
前記内周面に接触する外輪、内輪、および前記外輪と前記内輪との間に介在するボールを有するベアリングを備え、前記内歯歯車と前記外歯歯車との噛み合い位置を前記回転軸まわりに移動させる波動発生器と、
を有し、
前記回転軸に垂直な方向からの平面視で、前記外歯の歯幅をＬとし、前記外歯の前記胴部とは反対側の端から前記ボールの中心までの距離をＬ１としたとき、
０．３０≦Ｌ１／Ｌ≦０．５０を満足する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の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。
【図２】本発明の第１実施形態に係る歯車装置を示す断面図であって軸線ａを含む平面に沿って切断した図である。
【図３】図２に示す歯車装置の正面図であって軸線ａ方向から見た図である。
【図４】図２の部分拡大図である。
【図５】横軸をＬ１／Ｌとし、縦軸を外歯歯車に発生する負荷応力としたとき、Ｌ１／Ｌと負荷応力との関係を示すグラフである。
【図６】横軸を波動発生器に入力されたトルクとし、縦軸を外歯歯車に発生する負荷応力としたとき、Ｌ１／Ｌを３段階に変化させた場合のトルクと負荷応力との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る歯車装置を示す断面図であって軸線ａを含む平面に沿って切断した図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る歯車装置ユニットを示す断面図であって軸線ａを含む平面に沿って切断した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の歯車装置、歯車装置ユニット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。
【０００９】
１．ロボット
図１は、本発明の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１１０側を「基端側」、その反対側、すなわちエンドエフェクター１５０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。
【００１０】
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、すなわち対象物の給材、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。
【００１１】
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（回転軸）まわりに回転可能に第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は相対的に回転する。
【００１２】
ここで、基台１１０内には、第１アーム１２０を回転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と、モーター１７０の駆動力による回転を減速する第１減速機である歯車装置１０と、を有する。歯車装置１０の入力軸は、モーター１７０の軸に連結され、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が第１軸Ｊ１まわりに水平面内で回転する。
【００１３】
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（回転軸）まわりに回転可能に第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を回転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転する。
【００１４】
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図示しない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、その第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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、この回転方向に対応してスプラインシャフト１４１が上下に移動する。
【００１７】
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、対象物を把持するもの、対象物を加工するもの等が挙げられる。
【００１８】
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。
【００１９】
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に対して回転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、を備える。
【００２０】
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。
【００２１】
また、前述した第１部材および第２部材は、上記に限定されず、例えば第１アーム１２０を「第１部材」と捉え、第２アーム１３０を「第２部材」と捉えてもよい。
【００２２】
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。
【００２３】
２．歯車装置
以下、ロボット１００が備える歯車装置１０について詳述する。
【００２４】
＜第１実施形態＞
図２は、本発明の第１実施形態に係る歯車装置を示す断面図であって軸線ａ（回転軸）を含む平面に沿って切断した図である。図３は、図２に示す歯車装置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の部分拡大図である。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、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。
【００２５】
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、内歯歯車２と、内歯歯車２の内側に配置されているカップ型の外歯歯車３と、外歯歯車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。また、図示しないが、歯車装置１０の各部には、必要に応じて、グリース等の潤滑剤が適宜配置されている。
【００２６】
ここで、内歯歯車２、外歯歯車３および波動発生器４のうちの一つが前述したロボット１００の基台１１０（第１部材）に対して接続され、他の一つが前述したロボット１００の第１アーム１２０（第２部材）に対して接続される。本実施形態では、内歯歯車２が基台１１０（第１部材）に対してネジ止め等により接続され、外歯歯車３が第１アーム１２０（第２部材）に対してネジ止め等により接続され、波動発生器４が前述したロボット１００のモーター１７０の軸１７１に嵌合、ネジ止め等により接続される。
【００２７】
このような歯車装置１０では、モーター１７０の軸１７１が回転すると、波動発生器４はモーター１７０の軸１７１と同じ回転速度で回転する。そして、内歯歯車２および外歯歯車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、これらの歯数差に起因して軸線ａ（回転軸）まわりに相対的に回転する。本実施形態では、内歯歯車２の歯数の方が外歯歯車３の歯数より多いため、モーター１７０の回転速度よりも低い回転速度で内歯歯車２に対して外歯歯車３を回転させることができる。これにより、波動発生器４を入力軸側、外歯歯車３を出力軸側とする減速機を実現することができる。
【００２８】
なお、内歯歯車２、外歯歯車３および波動発生器４の接続形態は、前述した形態に限定されず、例えば、外歯歯車３を基台１１０に対して固定し、内歯歯車２を第１アーム１２０に対して接続しても、歯車装置１０を減速機として用いることができる。また、外歯歯車３をモーター１７０の軸１７１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、この場合、波動発生器４を基台１１０に対して固定し、内歯歯車２を第１アーム１２０に対して接続すればよい。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の回転速度よりも高い回転速度で外歯歯車３を回転させる場合、前述した入力側（モーター１７０側）と出力側（第１アーム１２０側）との関係を反対にすればよい。
【００２９】
図２および図３に示すように、内歯歯車２は、内歯２３を有し、径方向に実質的に撓まない剛体で構成されたリング状の剛性歯車である。本実施形態では、内歯歯車２は平歯車である。すなわち、内歯２３は、軸線ａに対して平行な歯すじを有する。なお、内歯２３の歯すじ方向は、軸線ａに対して傾斜していてもよい。すなわち、内歯歯車２は、はすば歯車またはやまば歯車であってもよい。
【００３０】
外歯歯車３は、内歯歯車２の内側に挿通されている。この外歯歯車３は、内歯歯車２の内歯２３に噛み合う外歯３３を有し、径方向に撓み変形可能な可撓性歯車である。また、外歯歯車３の歯数は、内歯歯車２の歯数よりも少ない。このように外歯歯車３および内歯歯車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。
【００３１】
本実施形態では、外歯歯車３はカップ型であり、その外周面に外歯３３が形成されている。ここで、外歯歯車３は、軸線ａの延在方向における一端部、すなわち図２中右側端部が開口３６になっている筒状の開口部３０と、軸線ａの延在方向における他端部側、すなわち、図２中において開口部３０の左側に位置する胴部３１と、図２中において胴部３１の左側に位置する底部３２と、を有する。開口部３０は、その外周に、軸線ａを中心とし、内歯歯車２に噛み合う外歯３３を有する。また、底部３２には、出力側の軸体である第１アーム１２０がネジ止め等により取り付けられる。
【００３２】
このような外歯歯車３では、底部３２に比べて開口部３０が径方向に撓み易くなるので、内歯歯車２に対する外歯歯車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、第１アーム１２０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る。また、同時に噛み合う歯数の比率が大きいため、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。
【００３３】
図３に示すように、波動発生器４は、外歯歯車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、外歯歯車３の開口部３０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て外歯３３を内歯歯車２の内歯２３に噛み合わせる。ここで、外歯歯車３および内歯歯車２は、同一の軸線ａまわりに回転可能に互いに内外で噛み合わされることとなる。
【００３４】
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（ベアリング）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の一端部から軸線ａから離間する方向に突出するとともに開口部３０内に挿入されているカム部４１２と、を有している。ここで、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、図３中の上下方向を長軸Ｌａとする楕円形または長円形をなしている。軸受４２は、開口部３０内に挿入されており、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。
【００３５】
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。外輪４２３の外周面４２３１は、開口部３０の内周面３１１に当接している。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。
【００３６】
このような波動発生器４は、カム４１が軸線ａまわりに回転することに伴って、カム部４１２の長軸Ｌａの向きが変わり、それに伴って、外輪４２３も変形し、内歯歯車２および外歯歯車３の互いの噛み合い位置を周方向に移動させる。
【００３７】
また、内歯歯車２、外歯歯車３および波動発生器４は、それぞれ金属材料で構成されていることが好ましく、特に、機械的特性および加工性に優れ、かつ、比較的安価であることから、鉄系材料を用いることが好ましい。かかる鉄系材料としては、特に限定されないが、例えば、鋳鉄、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）、マルエージング鋼および析出硬化型ステンレス鋼、球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）のうちのいずれか１つであることが好ましい。また、その中でも球状黒鉛鋳鉄を用いる場合、焼入れ・焼戻し処理またはオーステンパー処理を行っていると、良好な機械的強度を有するので、歯車装置１０の長寿命化を図ることができる。さらに、外歯歯車３には、例えばＳＮＣＭ４３９のようなニッケルクロムモリブデン鋼を用いると、クロムモリブデン鋼を用いた内歯歯車２よりも硬度を高くすることができるので、外歯歯車３の歯の摩耗を低減することができ、歯車装置１０のさらなる長寿命化を図ることができる。なお、内歯歯車２および波動発生器４は、それぞれ、実質的な剛体であるため、セラミックス材料等で構成することも可能であるが、外歯歯車３との強度のバランスから金属材料を用いることが好ましい。これらの部材の強度差が大きすぎると、強度の低い側の部材が極端に摩耗しやすくなり、その結果、歯車装置１０の寿命が短くなってしまうおそれがある。
【００３８】
ここで、波動発生器４は、前述したように、外歯歯車３の内側に配置されている。具体的には、図２に示すように、開口部３０は、その右端が開口３６を形成する筒状をなしている。そして、その開口３６から開口部３０の内側に波動発生器４が挿入されている。そして、前述したように、軸受４２の外輪４２３の外周面４２３１が開口部３０の内周面３１１に当接しているため、外歯歯車３は、軸受４２によって軸線ａから離れる方向に向かって押し広げられるような力を受けている。このような力を受けて、外歯歯車３が変形し、外歯３３を内歯２３に噛み合わせることができる。
【００３９】
一方、図２中に示す胴部３１の左側には底部３２が繋がっているため、胴部３１の左端は、押し広げられるような力を受けても変形しにくい。このため、外歯歯車３に波動発生器４が挿入された後、図２の左側に移動させるほど、開口部３０の右端の開口３６は、その直径が徐々に大きくなるように変形する。そうすると、外歯３３と内歯２３との噛み合い量が増加する。これに対し、波動発生器４の位置が図２の右側に位置するほど、開口部３０の開口３６は、その直径が徐々に小さくなる。そうすると、噛み合い量が減少する。
【００４０】
以上を踏まえ、本発明者は、外歯歯車３に対する波動発生器４の位置について適宜検討した。そして、軸線ａ（回転軸）に垂直な方向からの平面視において、すなわち、図２および図４に示す方向で見た場合において、外歯３３の歯幅をＬとし、外歯歯車３の一方の端部（開口３６）側における外歯３３の端、すなわち図４中の外歯３３の右端からボール４２２の中心までの距離をＬ１とする。その上で、本発明者は、ＬおよびＬ１が、０．３０≦Ｌ１／Ｌ≦０．５０を満足するとき、外歯歯車３に発生する負荷応力が低減されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００４１】
Ｌ１／Ｌが前述したような範囲を満足するとき、外歯歯車３の変形量を抑えつつ、外歯３３と内歯２３との噛み合い量が最適化されて外歯３３に加わる負荷を分散させることができる。これにより、外歯歯車３に発生する負荷応力の最大値を引き下げることができ、歯車装置１０の長寿命化を図ることができる。特に、Ｌ１／Ｌの前述した範囲は、外歯歯車３の構成材料として前述したような材料を用い、その材料の疲労強度を考慮して設定された範囲である。このため、外歯歯車３に繰り返しの負荷が加わり、金属疲労が生じる環境下にあっても、外歯歯車３において疲労破壊を発生させ難い歯車装置１０を実現することができる。
【００４２】
なお、Ｌ１／Ｌが前記下限値を下回ると、外歯歯車３を押し広げる力は少なくなるが、それに伴って外歯３３と内歯２３との噛み合い量も小さくなる。そうすると、外歯３３の歯先に歯当たりが集中することになり、歯先における負荷応力が増大する。その結果、負荷応力が機械的強度を上回ると、外歯歯車３に亀裂や欠け等の不具合が発生するおそれがある。一方、Ｌ１／Ｌが前記上限値を上回ると、外歯歯車３の変形量が大きくなり、それに伴って外歯歯車３に発生する負荷応力が増大する。この場合も、負荷応力が機械的強度を上回ると、外歯歯車３に不具合が発生するおそれがある。
【００４３】
なお、外歯３３の歯幅Ｌとは、軸線ａの延在方向における外歯３３の幅のことをいう。また、距離Ｌ１は、外歯３３の歯幅方向における一方の端部側の端、すなわち図４中の外歯３３の右端から、ボール４２２の中心までの、軸線ａの延在方向における長さのことをいう。
【００４４】
以上のように、歯車装置１０は、内歯歯車２と、外歯歯車３と、波動発生器４と、を有している。外歯歯車３は、軸線ａまわりに配置されていて内歯歯車２が噛み合う外歯３３を有し、一方（図２中右側）の端部が開口している筒状の開口部３０と、開口部３０の他方（図２中左側）、すなわち前述した一方の端部とは反対側に位置する筒状の胴部３１と、を備え、内歯歯車２に対して軸線ａ（回転軸）まわりに相対的に回転する可撓性を有する。すなわち胴部３１は、軸線ａ方向で外歯と並んでいる。波動発生器４は、外歯３３の内面にある内周面３１１に接触する外輪４２３と、内輪４２１と、外輪４２３と内輪４２１との間に介在するボール４２２と、を含む軸受４２（ベアリング）を備えていて、内歯歯車２と外歯歯車３との噛み合い位置を軸線ａまわりに周方向に移動させる。
【００４５】
そして、軸線ａに垂直な方向からの平面視で、外歯３３の歯幅をＬとし、外歯３３の一方の端部（開口３６）側の端からボール４２２の中心までの距離をＬ１としたとき、歯車装置１０は、０．３０≦Ｌ１／Ｌ≦０．５０を満足している。ここで、Ｌ１は、外歯３３の歯幅の両端のうち、胴部３１がある側とは反対側の端からボール４２２の中心までの距離とも言える。
【００４６】
このような歯車装置１０によれば、外歯歯車３の変形量を抑えつつ、外歯３３と内歯２３との噛み合い量を最適化することができる。その結果、外歯歯車３に発生する負荷応力が低減され、歯車装置１０の長寿命化を図ることができ、信頼性を高めることができる。
【００４７】
また、前述したロボット１００は、このような歯車装置１０を備えている。すなわち、ロボット１００は、基台１１０（第１部材）と、第１アーム１２０（第２部材）と、基台１１０に対して第１アーム１２０を相対的に回転させる駆動力を基台１１０および第１アーム１２０のうちの一方側から他方側へ伝達する歯車装置１０と、駆動力を発生させるモーター１７０（駆動源）と、を有している。また、歯車装置１０は、内歯歯車２と、内歯歯車２に一部が噛み合う外歯３３を有し、一方（図２中右側）の端部が開口している筒状の開口部３０と、開口部３０の他方（図２中左側）、すなわち前述した一方の端部とは反対側に位置する筒状の胴部３１と、を備え、内歯歯車２に対して軸線ａ（回転軸）まわりに相対的に回転する可撓性を有する外歯歯車３と、外歯歯車３の内周面３１１に接触する外輪４２３と、内輪４２１と、外輪４２３と内輪４２１との間に介在するボール４２２と、を含む軸受４２（ベアリング）を備え、内歯歯車２と外歯歯車３との噛み合い位置を軸線ａまわりに周方向に移動させる波動発生器４と、を有している。そして、軸線ａに垂直な方向からの平面視で、外歯３３の歯幅をＬとし、外歯３３の一方の端部（開口３６）側の端からボール４２２の中心までの距離をＬ１としたとき、歯車装置１０は、０．３０≦Ｌ１／Ｌ≦０．５０を満足している。
【００４８】
このようなロボット１００によれば、前記と同様、歯車装置１０の長寿命化が図られるため、信頼性を高めることができる。
【００４９】
図５は、横軸をＬ１／Ｌとし、縦軸を外歯歯車３に発生する負荷応力としたとき、Ｌ１／Ｌと負荷応力との関係を示すグラフである。
【００５０】
図５に示すように、Ｌ１／Ｌが前記範囲内にあるとき、外歯歯車３に発生する負荷応力は、外歯歯車３の機械的強度に対して十分に余裕がある程度に抑えられている。このため、この範囲内では、外歯歯車３に不具合が発生する確率を十分に下げることができる。
【００５１】
図６は、横軸を波動発生器４に入力されたトルクとし、縦軸を外歯歯車３に発生する負荷応力としたとき、Ｌ１／Ｌを３段階に変化させた場合のトルクと負荷応力との関係を示すグラフである。なお、３段階とは、Ｌ１／Ｌが前記下限値を下回っている段階、Ｌ１／Ｌが前記範囲内に入っている段階、および、Ｌ１／Ｌが前記上限値を上回っている段階である。
【００５２】
図６に示すように、Ｌ１／Ｌが前記下限値を下回るとき、および、Ｌ１／Ｌが前記上限値を上回るとき、外歯歯車３に発生する負荷応力は、トルクが５Ｎｍを超えた領域において、ほぼ全域で相対的に高くなっている。一方、Ｌ１／Ｌが前記範囲内にあるときには、外歯歯車３に発生する負荷応力は、相対的に低くなっている。このため、前述したＬ１／Ｌの範囲は、トルクによらず、外歯歯車３に発生する負荷応力を低減する効果をもたらすといえる。すなわち、外歯歯車３に発生する負荷応力が低いことから、外歯歯車３の長寿命化を図ることが可能である。
【００５３】
また、ＬおよびＬ１は、０．４５≦Ｌ１／Ｌ≦０．５０を満足するのが好ましく、０．４５≦Ｌ１／Ｌ≦０．４９を満足するのがより好ましい。この範囲内であれば、外歯歯車３に発生する負荷応力の増加を最小限に抑えつつ、噛み合い量を比較的大きくすることができる。このため、外歯３３と内歯２３との間の動力の伝達効率を高めることができる。その結果、長寿命化が図られるとともに、動力の伝達効率の高い歯車装置１０が得られる。
【００５４】
また、軸受４２は、外歯歯車３の内周面３１１に当接し、外歯３３と内歯２３との噛み合い量に影響を及ぼす。このとき、外輪４２３の外周面４２３１と開口部３０の内周面３１１との接触面積も、外歯歯車３に発生する負荷応力に影響を及ぼす。
【００５５】
具体的には、図４に示すように、外歯３３の歯幅方向に沿った外輪４２３の幅をＢとしたとき、０．４０≦Ｂ／Ｌ≦０．９５を満足するのが好ましく、０．６０≦Ｂ／Ｌ≦０．９０を満足するのがより好ましい。Ｂ／Ｌが前記範囲を満足することにより、外輪４２３の幅Ｂが大きすぎることによる易変形性の低下を抑制しつつ、外輪４２３の幅Ｂが小さすぎることによって外歯歯車３の局所に負荷応力が集中しやすくなることを抑制することができる。その結果、波動発生器４と外歯歯車３との間の動力の伝達効率を高めつつ、歯車装置１０の長寿命化を図ることができる。
【００５６】
なお、Ｂ／Ｌが前記下限値を下回ると、外輪４２３の外周面４２３１の面積が小さくなるため、外歯歯車３の局所に負荷応力が集中しやすくなる。このため、外歯歯車３の構成材料等によっては、亀裂等の不具合が発生するおそれがある。一方、Ｂ／Ｌが前記上限値を上回ると、外輪４２３の外周面４２３１の面積が大きくなるため、外歯歯車３の構成材料等によっては、外歯歯車３から大きな反力を受けたり、カム４１が回転したときに外輪４２３が変形しにくくなったり、外輪４２３と外歯歯車３との密着性が低下したりするおそれがある。このため、波動発生器４の回転抵抗が大きくなり、波動発生器４と外歯歯車３との間の動力の伝達効率が低下するおそれがある。
【００５７】
外歯歯車３の各部の寸法は、特に限定されないが、歯車装置１０に入力されるトルクの大きさや外歯歯車３の構成材料等に応じて、適当な範囲内に収められるのが好ましい。
【００５８】
具体的には、外歯歯車３のピッチ円直径は、２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲内であるのが好ましく、３５ｍｍ以上８０ｍｍ以下の範囲内であるのがより好ましい。外歯歯車３のピッチ円直径を前記範囲内に設定することにより、内歯歯車２、外歯歯車３および波動発生器４の構成材料として前述したような材料を用いた場合、それらの材料の機械的強度に対して十分な余裕を保ちながら、必要かつ十分な噛み合い量を確保することができるので、伝達効率と長寿命化とを両立させることができる。
【００５９】
なお、外歯歯車３のピッチ円直径が前記下限値を下回ったり、前記上限値を上回ったりした場合、前述した効果が低減するおそれがある。このため、外歯歯車３のピッチ円直径が前記範囲内にあることは、歯車装置１０の伝達効率と長寿命化を両立させるという観点で特に有効である。
【００６０】
また、外歯歯車３のピッチ円直径とは、外歯歯車３を、転がり摩擦をする円柱に近似したとき、その円柱の外径のことをいう。換言すれば、外歯３３のうち内歯２３と接触している接触点が回転中に変位するため、その代表的な位置を近似モデルで近似させたとき、その近似モデルとなる円柱の外径がピッチ円直径となる。
【００６１】
また、上述したような外歯歯車３に対する波動発生器４の相対位置は、本実施形態の場合、外歯歯車３を第１アーム１２０に対して固定し、波動発生器４をモーター１７０の軸１７１に接続することによって位置決めされている。なお、この位置決め手段は、上記の手段に限定されない。例えば、波動発生器４とモーター１７０の軸１７１との間は、その回転方向においては位置決めされている一方、軸線ａの延在方向においては位置決めされていない場合があってもよい。そのような場合には、別途設けた任意の位置決め手段によって波動発生器４の位置決めをするようにすればよい。
【００６２】
＜第２実施形態＞
図７は、本発明の第２実施形態に係る歯車装置を示す断面図であって軸線ａを含む平面に沿って切断した図である。
【００６３】
本実施形態は、外歯歯車の構成および歯車装置の取付形態が異なること以外は、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７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。
【００６４】
図７に示す歯車装置１０Ａは、前述した第１実施形態の外歯歯車３に代えて、外歯歯車３Ａを有する。本実施形態の外歯歯車３Ａは、ハット型であり、その外周面に外歯３３が形成されている。ここで、外歯歯車３Ａは、軸線ａの延在方向における他端部、すなわち図７中右側端部が開口３６である筒状の胴部３１と、図７中において胴部３１の左側に位置するフランジ部３２Ａと、を有する。フランジ部３２Ａは、胴部３１の左側の端部から径方向外側に延びている取り付け部である。
【００６５】
このような歯車装置１０Ａの内歯歯車２、外歯歯車３Ａおよび波動発生器４のうちの一つが前述したロボット１００の基台１１０（第１部材）に対して接続され、他の一つが前述したロボット１００の第１アーム１２０（第２部材）に対して接続される。本実施形態では、外歯歯車３Ａが基台１１０（第１部材）に対して接続され、そして、内歯歯車２が第１アーム１２０（第２部材）に対して接続され、波動発生器４が前述したロボット１００のモーター１７０の軸１７１に接続されている。
【００６６】
そして、歯車装置１０ＡにおけるＬ１／Ｌ、Ｂ／Ｌ等は、前述した歯車装置１０におけるＬ１／Ｌ、Ｂ／Ｌ等と同様である。
【００６７】
以上説明したような第２実施形態においても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮する。
【００６８】
＜第３実施形態＞
図８は、本発明の第３実施形態に係る歯車装置ユニットを示す断面図であって軸線ａを含む平面に沿って切断した図である。
【００６９】
本実施形態は、前述した第１実施形態に係る歯車装置と、それを収納するケースと、を有する歯車装置ユニットである。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、同様の事項についてはその説明を省略する。また、図８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。
【００７０】
図８に示す歯車装置ユニット１０Ｂは、歯車装置１０と、歯車装置１０を収納しているケース５と、を有している。そして、内歯歯車２が、ケース５を介してロボット１００の基台１１０に固定されている。これらが主な相違点であり、それ以外については、歯車装置ユニット１０Ｂは、歯車装置１０と同様である。すなわち、歯車装置ユニット１０ＢにおけるＬ１／Ｌ、Ｂ／Ｌ等は、前述した歯車装置１０におけるＬ１／Ｌ、Ｂ／Ｌ等と同様である。
【００７１】
（ケース）
図８に示すケース５は、軸受１３を介して例えば入力軸等の軸１７１を支持している略板状の蓋体１１と、軸受１４を介して例えば出力軸等の第１アーム１２０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１０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１０の内歯歯車２が例えばネジ止め等により固定されている。
【００７２】
蓋体１１の内壁面１１１は、外歯歯車３の開口部３０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、外歯歯車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、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。
【００７３】
ここで、本実施形態では、軸部４１１と軸受１３とが接するように配置されている。すなわち、軸部４１１は、例えば入力軸となる軸１７１より外径が大きい。このため、図８に示す軸受１３の左面と軸部４１１の右面とが接触するようになっている。これにより、軸部４１１の、外歯歯車３から離れる方向への移動、すなわち図８の右側への移動が規制されている。その結果、外歯歯車３に対して波動発生器４が位置決めされている。すなわち、ケース５は、外歯歯車３に対する波動発生器４を位置決めする位置決め手段としても機能する。
【００７４】
なお、ケース５のうち、波動発生器４に接触する位置は、上記の軸受１３に限定されず、いかなる位置であってもよい。
【００７５】
以上のように、歯車装置ユニット１０Ｂは、内歯歯車２と、内歯歯車２が噛み合う外歯３３を有し、一方（図８中右側）の端部が開口している筒状の開口部３０と、開口部３０の他方（図８中左側）、すなわち前述した一方の端部とは反対側に位置する筒状の胴部３１と、を備え、内歯歯車２に対して軸線ａ（回転軸）まわりに相対的に回転する可撓性を有する外歯歯車３と、外歯歯車３の内周面３１１に接触する外輪４２３と、内輪４２１と、外輪４２３と内輪４２１との間に介在するボール４２２と、を含む軸受４２（ベアリング）を備え、内歯歯車２と外歯歯車３との噛み合い位置を軸線ａまわりに周方向に移動させる波動発生器４と、内歯歯車２、外歯歯車３および波動発生器４を収納し、外歯歯車３に対して波動発生器４を位置決めするケース５と、を有している。そして、軸線ａに垂直な方向からの平面視で、外歯３３の歯幅をＬとし、外歯３３の一方の端部（開口３６）側の端からボール４２２の中心までの距離をＬ１としたとき、歯車装置ユニット１０Ｂは、０．３０≦Ｌ１／Ｌ≦０．５０を満足している。
【００７６】
このような歯車装置ユニット１０Ｂによれば、外歯歯車３の変形量を抑えつつ、外歯３３と内歯２３との噛み合い量を最適化することができる。その結果、外歯歯車３に発生する負荷応力が低減され、歯車装置ユニット１０Ｂの長寿命化を図ることができる。
以上のような第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７７】
以上、本発明の歯車装置、歯車装置ユニットおよびロボットを、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。
【００７８】
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。
【符号の説明】
【００７９】
２…内歯歯車、３…外歯歯車、３Ａ…外歯歯車、４…波動発生器、５…ケース、１０…歯車装置、１０Ａ…歯車装置、１０Ｂ…歯車装置ユニット、１１…蓋体、１２…本体、１３…軸受、１４…軸受、２３…内歯、３０…開口部、３１…胴部、３２…底部、３２Ａ…フランジ部、３３…外歯、３６…開口、４１…カム、４２…軸受、１００…ロボット、１１０…基台、１１１…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、１６０…配線引き回し部、１７０…モーター、１７１…軸、１９０…制御装置、３１１…内周面、４１１…軸部、４１２…カム部、４２１…内輪、４２２…ボール、４２３…外輪、４２３１…外周面、Ｂ…幅、Ｊ１…第１軸、Ｊ２…第２軸、Ｊ３…第３軸、Ｌ…歯幅、Ｌ１…距離、Ｌａ…長軸、Ｌｂ…短軸、ａ…軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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