(57)【要約】【課題】加工組立が容易で部品点数が少なく、小型軽量かつ高剛性、高トルク容量を実現可能なアクチュエータを提供する。【解決手段】アクチュエータ１０は、ハウジング３０と、ハウジング３０と同軸に配置され、ハウジング３０に対して回転自在に設けられた出力軸５０と、ハウジング３０に対して出力軸５０を回転駆動する駆動機構７０と、を備えている。駆動機構７０は、第１のギヤ３、第２のギヤ５、揺動ギヤ４、ロータ磁気回路６０及びステータ磁気回路２０を有する。揺動ギヤ４は、第１のギヤ３と第２のギヤ５との間に配置され、ハウジング３０の軸線Ｃ０に対して傾斜する傾斜軸線Ｃ１まわりに回転自在に設けられる。ロータ磁気回路６０は、揺動ギヤ４に固定されている。ステータ磁気回路２０は、ハウジング３０に固定され、ロータ磁気回路６０を吸引又は反発する電磁力を発生して、揺動ギヤ４を揺動させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軸と、
前記第１の軸と同軸に配置され、前記第１の軸に対して回転自在に設けられた第２の軸と、
前記第１の軸に対して前記第２の軸を回転駆動する駆動機構と、を備え、
前記駆動機構は、
軸方向の一方側を指向する歯を有し、前記第１の軸と同軸に配置された第１のギヤと、
前記第１のギヤに対向する歯を有し、前記第１の軸と同軸に配置され、前記第２の軸に固定された第２のギヤと、
前記第１のギヤと前記第２のギヤとの間に配置され、前記第１の軸の軸線に対して傾斜する傾斜軸線まわりに回転自在に設けられると共に、前記第１のギヤの歯数と１つ異なる歯数であって、前記第１のギヤに噛合する第１の歯と、前記第２のギヤの歯数と１つ異なる歯数であって、前記第１の歯の前記第１のギヤとの噛合部位の半径方向及び軸方向の反対側で、前記第２のギヤに噛合する第２の歯と、を有し、前記第１のギヤ及び前記第２のギヤに対して一定の傾斜角で噛合する第１の揺動ギヤと、
前記第１の揺動ギヤに固定されたロータ磁気回路と、
前記第１の軸に固定され、前記ロータ磁気回路を吸引又は反発する電磁力を発生して、前記第１の揺動ギヤを揺動させるステータ磁気回路と、を有することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記ロータ磁気回路は、前記傾斜軸線の方向に磁化され、前記ステータ磁気回路に半径方向で対向するよう配置された永久磁石を備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記ロータ磁気回路は、前記第１の揺動ギヤから前記傾斜軸線の方向の両側に突出する一対の突出片を有し、軟磁性材で形成されたフランジを備え、
前記ステータ磁気回路は、前記各突出片を吸引する電磁力を発生して、前記第１の揺動ギヤを揺動させることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記第１の軸及び前記第２の軸のうちいずれか一方の軸が、前記駆動機構を収容するハウジングであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記駆動機構は、前記第１の揺動ギヤを支持し、前記第１のギヤ及び前記第２のギヤのうち少なくとも一方のギヤに、半径方向で接触する支持手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記支持手段は、前記少なくとも一方のギヤに対してころがり接触する形状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記第１のギヤは、前記第１の軸に固定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記第１のギヤは、前記第２の軸に固定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記第１のギヤと前記第２のギヤとが同じ歯数であり、
前記駆動機構は、前記第１の軸と前記第１の揺動ギヤとを連結する継手機構を有することを特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記第１のギヤと前記第２のギヤとが異なる歯数であり、
前記駆動機構は、
軸方向の一方側を指向する歯を有し、前記第１の軸と同軸に配置され、前記第２の軸に固定された第３のギヤと、
前記第３のギヤの歯数と１つ異なる歯数であって、前記第３のギヤに斜めに噛合する第３の歯を有すると共に、前記第１の揺動ギヤと同軸で一体に回転する第２の揺動ギヤと、を有することを特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記駆動機構を一対備え、前記一対の駆動機構が、前記軸線に対して垂直な面で面対称に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記一対の駆動機構を複数備えたことを特徴とする請求項１１に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
複数のリンクを互いに連結する複数の関節のうち少なくとも１つの関節に、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のアクチュエータが配置されていることを特徴とする多関節ロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揺動ギヤを備えるアクチュエータ、及び該アクチュエータを備える多関節ロボットアームに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、産業用ロボットは、高速低トルクの駆動モータの出力を減速機で低速高トルクに変換して関節駆動する多関節ロボットアームを備えている。多関節ロボットアームに用いられる減速機としては、揺動歯車の揺動運動により大きな減速比が得られる揺動歯車機構が知られている。
【０００３】
この種の揺動歯車機構として、入力軸と同軸に設けた固定歯車に歯数が異なる揺動歯車を入力軸によって傾斜させて噛み合わせ、入力軸の回転によって揺動歯車を揺動運動させるものが提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１では、入力軸の一回転につき歯数差分だけ揺動歯車が公転（回転）するよう構成し、この公転（回転）成分のみを出力軸に取り出すことで減速させている。
【０００４】
また、ロボット用ではないが、公転成分の取り出しではなく、固定歯車と反対側に出力歯車を設けて揺動歯車に噛み合わせ、これら二組の歯車の差動によって減速するものをモータと一体化してアクチュエータとしたものが提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭４４−２３７３号公報
【特許文献２】特許４６１７１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、これらの揺動歯車機構には、一般的なインボリュート歯型の歯車やピン歯車が用いられており、その場合、噛み合い歯数を多くすることは困難である。またこの噛み合いを安定させるためには、揺動歯車を軸支する傾斜軸に高い精度と剛性が必要とされ、大容量の軸受を用い精密に組み立てねばならない。そのため、例えば、産業用ロボットの関節アクチュエータに用いられる小型軽量かつ高剛性及び高トルク容量を必要とするアクチュエータには適さないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、加工組立が容易で部品点数が少なく、小型軽量かつ高剛性、高トルク容量を実現可能なアクチュエータ及びこれを備えるロボットアームを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のアクチュエータは、第１の軸と、前記第１の軸と同軸に配置され、前記第１の軸に対して回転自在に設けられた第２の軸と、前記第１の軸に対して前記第２の軸を回転駆動する駆動機構と、を備え、前記駆動機構は、軸方向の一方側を指向する歯を有し、前記第１の軸と同軸に配置された第１のギヤと、前記第１のギヤに対向する歯を有し、前記第１の軸と同軸に配置され、前記第２の軸に固定された第２のギヤと、前記第１のギヤと前記第２のギヤとの間に配置され、前記第１の軸の軸線に対して傾斜する傾斜軸線まわりに回転自在に設けられると共に、前記第１のギヤの歯数と１つ異なる歯数であって、前記第１のギヤに噛合する第１の歯と、前記第２のギヤの歯数と１つ異なる歯数であって、前記第１の歯の前記第１のギヤとの噛合部位の半径方向及び軸方向の反対側で、前記第２のギヤに噛合する第２の歯と、を有し、前記第１のギヤ及び前記第２のギヤに対して一定の傾斜角で噛合する第１の揺動ギヤと、前記第１の揺動ギヤに固定されたロータ磁気回路と、前記第１の軸に固定され、前記ロータ磁気回路を吸引又は反発する電磁力を発生して、前記第１の揺動ギヤを揺動させるステータ磁気回路と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１及び第２のギヤで第１の揺動ギヤの傾斜角度と軸方向位置を拘束し、ステータ磁気回路が第１の揺動ギヤに固定されたロータ磁気回路に回転磁界を発生して第１の揺動ギヤの傾斜方向を回転させることで回転出力トルクを発生させている。これにより、入力軸、及び入力軸を支持する軸受等を省略でき、部品点数を削減できる。また、多数の歯で負荷トルクを分担できるようにしたので、大型化することなく、組立性が良くしかも高トルク容量を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係るロボット装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るアクチュエータを説明するための図である。
【図３】第１実施形態に係るアクチュエータに用いる歯車機構の凸歯型曲線を求めるための説明図である。
【図４】第１のギヤの歯と揺動ギヤの歯の噛み合い状態を示す図である。
【図５】第２実施形態に係るアクチュエータを説明するための図である。
【図６】第３実施形態に係るアクチュエータを説明するための図である。
【図７】第４実施形態に係るアクチュエータを説明するための図である。
【図８】第５実施形態に係るアクチュエータを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係るロボット装置５００について、図１から図４を参照しながら説明する。まず、第１実施形態に係るロボット装置５００の概略構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るロボット装置の概略構成を示す斜視図である。
【００１２】
図１に示すように、ロボット装置５００は、産業用ロボットであり、ワークＷの組み立て等の作業を行うロボット１００と、ロボット１００を制御する制御装置２００と、制御装置２００に接続されたティーチングペンダント３００と、を備えている。
【００１３】
ロボット１００は、多関節ロボットアーム（以下「ロボットアーム」という）１０１と、ロボットアーム１０１の先端に接続されたエンドエフェクタであるロボットハンド１０２と、を備えている。
【００１４】
ロボットアーム１０１は、垂直多関節型のロボットアームであり、作業台に固定されるベース部１０３と、変位や力を伝達する複数のリンク１２１〜１２６と、を有している。ベース部１０３及び複数のリンク１２１〜１２６は、複数の関節Ｊ１〜Ｊ６で旋回又は回転可能に互いに連結されている。また、ロボットアーム１０１は、各関節Ｊ１〜Ｊ６に設けられた、回転軸の回転角度を検出する不図示のエンコーダと、関節を駆動するアクチュエータ１０と、を備えている。各関節Ｊ１〜Ｊ６に配置されたアクチュエータ１０は、必要なトルクの大きさに合わせて適切な出力のものが用いられる。なお、アクチュエータ１０については、後に詳しく説明する。
【００１５】
ロボットハンド１０２は、ワークＷを把持する複数の把持爪１０４と、複数の把持爪１０４を駆動するアクチュエータ１０と、アクチュエータ１０の回転角度を検出する不図示のエンコーダと、回転を把持動作に変換する不図示の機構とを有している。この不図示の機構は、カム機構やリンク機構などで必要な把持動作に合わせて設計される。なお、ロボットハンド１０２に用いるアクチュエータ１０に必要なトルクは、ロボットアーム１０１の関節用と異なるが、基本構成は同じである。また、ロボットハンド１０２は、把持爪１０４等に作用する応力（反力）を検出可能な不図示の力覚センサを有している。
【００１６】
ティーチングペンダント３００は、制御装置２００に接続可能に構成され、制御装置２００に接続された際に、ロボットアーム１０１やロボットハンド１０２を駆動制御する指令を制御装置２００に送信可能に構成されている。
【００１７】
制御装置２００は、コンピュータにより構成されている。制御装置２００を構成するコンピュータは、例えばＣＰＵと、データを一時的に記憶するＲＡＭと、各部を制御するためのプログラムを記憶するＲＯＭと、入出力インタフェース回路とを備えている。制御装置２００は、アクチュエータ１０の動作に要求される要求電力を、不図示の電源本体からアクチュエータ１０に供給させて、ロボットアーム１０１やロボットハンド１０２の位置及び姿勢を制御する。
【００１８】
上述のように構成されたロボット装置５００は、入力された設定等に従って、制御装置２００がロボットアーム１０１の各関節Ｊ１〜Ｊ６のアクチュエータ１０を動作させることでロボットハンド１０２を任意の位置及び姿勢に移動させる。そして、任意の位置及び姿勢で、把持爪１０４に作用する応力を力覚センサで検出しながらアクチュエータ１０の駆動を制御し、ロボットハンド１０２にワークＷを把持させて、ワークＷの組み立て等の作業を行うことができる。
【００１９】
次に、第１実施形態に係るアクチュエータ１０について、図２から図４を用いて説明する。まず、アクチュエータ１０の概略構成について、図２を用いて説明する。図２は、第１実施形態に係るアクチュエータを説明するための図である。図２（ａ）はアクチュエータの断面図、図２（ｂ）はアクチュエータの歯車の側面図、図２（ｃ）はアクチュエータの磁気回路の分解斜視図、図２（ｄ）はステータ磁気回路のコイルの結線図、図２（ｅ）は各コイルに通電する駆動電流の波形図である。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、アクチュエータ１０は、第１の軸であるハウジング３０と、第２の軸である出力軸５０と、駆動機構７０とを備えている。出力軸５０は、ハウジング３０と同軸に配置され、ハウジング３０にクロスローラ軸受（軸受）５１により回転自在に支持されている。駆動機構７０は、ハウジング３０に対して出力軸５０を回転駆動する。つまり、出力軸５０は、駆動機構７０による駆動により、ハウジング３０に対して相対的に回転する。
【００２１】
第１実施形態では、第１の軸がハウジング３０であるので、駆動機構７０は、ハウジング３０の内部に収容されている。駆動機構７０は、円環状に形成されており、出力軸５０は、駆動機構７０の内側に配置されている。
【００２２】
なお、ベース部１０３（図１）には、ハウジング３０及び出力軸５０のうち一方が固定され、リンク１２１（図１）には、ハウジング３０及び出力軸５０のうち他方が固定されている。同様に、リンク１２１〜１２６（図１）で互いに連結された２つのリンクのうち、一方のリンクには、ハウジング３０及び出力軸５０のうち一方が固定され、他方のリンクには、ハウジング３０及び出力軸５０のうち他方が固定されている。
【００２３】
ハウジング３０は、略円筒形状に形成された胴部３１と、胴部３１の一方の開放端に固定された円環状の蓋部３２と、胴部３１の他方の開放端に固定された円環状の蓋部３３と、を有している。出力軸５０には、中空孔５３が形成されている。クロスローラ軸受５１は、外輪がハウジング３０の胴部３１の内側面に固定され、内輪が出力軸５０の外側面に固定されている。
【００２４】
駆動機構７０は、第１のギヤ３と、第２のギヤ５と、第１の揺動ギヤである揺動ギヤ４と、ステータ磁気回路２０と、ロータ磁気回路６０とを備えている。第１のギヤ３、第２のギヤ５、揺動ギヤ４、ステータ磁気回路２０及びロータ磁気回路６０は、円環状に形成されている。第１のギヤ３、第２のギヤ５及びステータ磁気回路２０は、ハウジング３０（出力軸５０）と同軸に配置されている。
【００２５】
ステータ磁気回路２０は、ハウジング３０の内側、具体的にはハウジング３０の胴部３１の内側に固定されている。揺動ギヤ４には、揺動ギヤ４を支持する支持手段としてのフランジ４１が固定されており、フランジ４１には、ロータ磁気回路６０が固定されている。これにより、揺動ギヤ４には、ロータ磁気回路６０がフランジ４１を介して一体に固定されている。具体的に説明すると、ロータ磁気回路６０の内側に、円環状のフランジ４１が固定され、フランジ４１の内側に揺動ギヤ４が固定されている。これら一体化された揺動ギヤ４及びロータ磁気回路６０が、ステータ磁気回路２０の内側に配置されている。
【００２６】
第１のギヤ３、第２のギヤ５及び揺動ギヤ４は、フェースギヤとなっており、第１のギヤ３及び第２のギヤ５は片面に、揺動ギヤ４は両面に歯が形成されている。そして、第１のギヤ３と第２のギヤ５との間に揺動ギヤ４が配置されている。
【００２７】
詳述すると、第１のギヤ３は、図２（ｂ）に示すように、一方の面に形成され、軸方向の一方側を指向する歯３６を有する。歯３６は、歯数がＺ１で、所定高さよりも先端側に形成される歯先部と、所定高さよりも歯元側で歯先部同士の間に形成される凹状部と、を複数有して円環状に形成されている。第１のギヤ３は、ハウジング３０及び出力軸５０のうちいずれか一方の軸、第１実施形態では、図２（ａ）に示すように、ハウジング３０に固定されている。具体的には、第１のギヤ３は、ハウジング３０の内側であって、ハウジング３０の蓋部３３に固定されている。
【００２８】
第２のギヤ５は、図２（ｂ）に示すように、第１のギヤ３に対向する側の面に形成された歯５７を有する。歯５７は、歯数がＺ２で、所定高さよりも先端側に形成される歯先部と、所定高さよりも歯元側で歯先部同士の間に形成される凹状部と、を複数有して円環状に形成されている。第２のギヤ５は、出力軸５０、具体的には出力軸５０の外側に固定されている。
【００２９】
揺動ギヤ４は、第１のギヤ３及び第２のギヤ５の間に配置され、ハウジング３０（出力軸５０）の軸線Ｃ０に対して傾斜する傾斜軸線Ｃ１まわりに回転自在に設けられている。揺動ギヤ４は、一方の面に歯面が円環状に形成された、第１のギヤ３の歯３６に噛合する第１の歯４６と、他方の面に歯面が円環状に形成された、第２のギヤ５の歯５７に噛合する第２の歯４７とを有している。
【００３０】
第１の歯４６は、歯数がＺ１＋１（第１のギヤ３との歯数差が１）となっている。第２の歯４７は、歯数がＺ２＋１（第２のギヤ５との歯数差が１）となっており、第１の歯４６の第１のギヤ３の歯３６との噛合部位の半径方向及び軸方向の反対側で、第２のギヤ５に噛合するようになっている。これにより、揺動ギヤ４は、第１のギヤ３及び第２のギヤ５に対して一定の傾斜角で噛合するようになっている。揺動ギヤ４は、所定高さよりも先端側に形成される歯先部と、所定高さよりも歯元側で歯先部同士の間に形成される凹状部と、を第１のギヤ３及び第２のギヤ５よりも多い数有し、円環状に形成された歯面を備えている。
【００３１】
即ち、第１のギヤ３の歯３６と揺動ギヤ４の一方の歯４６とは、歯先部と凹状部とが最も深く噛み合う最噛合位置、最噛合位置の反対側で歯先部同士がすれ違うすれ違い位置、を形成し得るように、所定角度傾斜した状態で配置されている。更に、第１のギヤ３の歯３６と揺動ギヤ４の歯４６とは、すれ違い位置の両側で歯先部同士が接触する第１噛合領域、第１噛合領域よりも最噛合位置側で互いの歯先部と凹状部とが接触する第２噛合領域を形成し得るように、所定角度傾斜して配置されている。
【００３２】
同様に、第２のギヤ５の歯５７と揺動ギヤ４の他方の歯４７とは、歯先部と凹状部とが最も深く噛み合う最噛合位置、最噛合位置の反対側で歯先部同士がすれ違うすれ違い位置、を形成し得るように、所定角度傾斜した状態で配置されている。更に、第２のギヤ５の歯５７と揺動ギヤ４の歯４７とが、すれ違い位置の両側で歯先部同士が接触する第１噛合領域、第１噛合領域よりも最噛合位置側で互いの歯先部と凹状部とが接触する第２噛合領域を形成し得るように、所定角度傾斜して配置されている。
【００３３】
具体的には、第１のギヤ３の歯３６と揺動ギヤ４の歯４６とは、半ピッチ位相がずれて配置されており、図２（ｂ）の紙面下方の基準位相（最噛合位置）では、第１のギヤ３の歯３６と揺動ギヤ４の歯４６とは、半ピッチ位相がずれて深く噛み合っている。また、図２（ｂ）で正面となる基準位相に対して±９０度（第１噛合領域と第２噛合領域との境界位置）の近傍では、第１のギヤ３の歯３６と揺動ギヤ４の歯４６とは、１／４ピッチ位相がずれて浅く噛み合っている（例えば、歯先部同士が１点で接触する）。
【００３４】
更に、図２（ｂ）の紙面上方である基準位相に対して±１８０度（すれ違い位置）では、第１のギヤ３の歯３６と揺動ギヤ４の歯４６とは、同位相となって歯先部の先端同士が接触している。そして、これらの間の位相においては、徐々に歯３６と歯４６とが位相を変化させて噛み合い深さを変化させることで、第１のギヤ３の歯３６と揺動ギヤ４の歯４６とは、ほぼ全周において接触するようになっている。歯数は異なるが、同様に第２のギヤ５の歯５７と揺動ギヤ４の歯４７も、徐々に歯５７と歯４７とが位相を変化させて噛み合い深さを変化させることで、第２のギヤ５の歯５７と揺動ギヤ４の歯４７とが、ほぼ全周において接触するようになっている。
【００３５】
ここで、これらの歯車のほぼ全周において、第１のギヤ３の歯３６と相手側である揺動ギヤ４の歯４６、第２のギヤ５の歯５７と揺動ギヤ４の歯４７とが接触する原理について、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の第１実施形態に係るアクチュエータ１０に用いる歯車機構の凸歯型曲線を求めるための説明図である。
【００３６】
図３に示すように、第１のギヤ３の中心軸線Ｃ０をＺｐ軸、揺動ギヤ４の傾斜軸線Ｃ１をＺｑ軸とし、Ｚｑ軸のＺｐ軸に対する傾斜角度をη、Ｚｐ軸，Ｚｑ軸を含む面と直交する方向に共通のＸ軸をとる。なお、基準点ＯがＺｐ軸とＺｑ軸の原点である。そして、ＸＹｐＺｐ座標系と、ＸＹｑＺｑ座標系とを設定する。ここで原点Ｏを中心とする半径Ｒの球面を考える。
【００３７】
次に、各座標系の赤道面であるＸＹｐ面、ＸＹｑ面に対して緯度オフセットｋｐ，ｋｑにある小円（基準ピッチ円と呼ぶ）上をＹｐ軸、Ｙｑ軸方向から時計回りに等速運動する点Ｐ，Ｑ（歯の基準点と呼ぶ）を考える。第１のギヤ３の歯数をＺ１とし、揺動ギヤ４の歯数をＺ１＋１とすると、点Ｐ，Ｑの経度はφｐ＝２πｔ／Ｚ１，φｑ＝２πｔ／（Ｚ１＋１）（ｔ：媒介変数）と表すことができる。
【００３８】
ここで、点Ｐ，Ｑを結ぶ大円の円弧Ｌ上の点Ｃを噛み合い点として、点Ｐ，Ｑを原点とする球面上の移動座標系ｘｐｙｐ，ｘｑｙｑ上で点Ｃの描く軌跡を求める。これを歯先部の凸形状とすることで、歯先同士をすれ違い位相から約±９０°の範囲で連続して接触させることができる。この軌跡はＣＯＳ関数に近い曲線であるが、単純な式で表すことはできず、煩雑になるので記述しないが、点Ｃの座標を求めて点Ｐ，Ｑの座標との差を求めればよい。
【００３９】
次に、第１のギヤ３の歯３６の歯先部と揺動ギヤ４の歯４６の凹状部、第１のギヤ３の歯３６の凹状部と揺動ギヤ４の歯４６の歯先部と、を接触させる原理について、図４を参照しながら説明する。図４は、第１のギヤ３の歯３６と揺動ギヤ４の歯４６の噛み合い状態を示す図である。
【００４０】
前記に従って第１のギヤ３と揺動ギヤ４の歯先部の歯型３６，４６を形成すると、図４（ａ）に示すように、Ｙｐ，Ｙｑ方向の位相（すれ違い位置）では、基準点（所定高さ）３８，４８から一定の高さにある歯先先端部同士が噛合い点８１で接するようになる。そして、すれ違い位置の両側からＸ軸方向に回るにつれて、図４（ｂ）、図４（ｃ）のように第１噛合領域を推移する（歯先部同士が１点接触）。しかし、Ｘ軸方向での境界位置の近傍までの歯先部は凸形状であるが、これより歯元側の凹状部は上述の点Ｃの軌跡の歯型では干渉が起きる。そこで、第１実施形態では、境界位置の近傍での噛み合い点８１を噛み合い基準点（基準位置）とする。そして、これより歯元側の凹状部の歯型曲線は、噛み合い基準点より先端側の歯先部が互いの相手の歯の歯元部を動く軌跡の外接線（通過領域に倣わせた凹形状）として求めた曲線としている。
【００４１】
そのため、図４（ｄ）及び図４（ｅ）に示すように、第２噛合領域での噛み合い点は互いの歯先部と凹状部とが噛み合うので、接触点８３，８４で示す二点が同時に噛み合うようになる。
【００４２】
このように、第１実施形態に係る歯車機構の第１のギヤ３と揺動ギヤ４とをほぼ全周にわたって接触させることで、伝達トルクが分担され、非常に大きな負荷容量を小型軽量の歯車機構で得ることができる。また、圧力角は、歯数Ｚを大きくするほど、傾斜角ηを大きくするほど小さくなるので、適切な圧力角を設定することが可能になる。更に、図４（ａ）から図４（ｅ）に示すように、歯型は噛み合い基準点前後の曲線がほぼ直線に近い。特に噛み合い基準点より深く噛み合う位相では、歯先部と凹状部同士が２点でしかも凸面と凹面で噛み合うため、接触面圧が低くなる。したがって、歯面応力が小さく摩耗が少ない歯型である。
【００４３】
なお、第２のギヤ５の歯５７と揺動ギヤ４の歯４７についても、歯数が異なるだけで、同様であるので説明は省略する。
【００４４】
このように第１のギヤ３の歯３６と揺動ギヤ４の歯４６、第２のギヤ５の歯５７と揺動ギヤ４の歯４７を、ともにほぼ全周にわたって接触する歯型とすることで、揺動ギヤ４の姿勢自由度のうち、傾斜方向以外は歯同士の噛み合いによって拘束される。すなわち、共有する基準点Ｏに位置を拘束され、軸線Ｃ１の傾斜角度と軸線Ｃ１周りの回転位相も歯の噛み合いで拘束されることになる。
【００４５】
更に第１実施形態においては、フランジ４１には、第１のギヤ３と揺動ギヤ４、第２のギヤ５と揺動ギヤ４との噛合いをさらに確実にするため、第１のギヤ３及び第２のギヤ５に半径方向で接触する、周方向の受け面４３，４５が設けられている。即ち、第１のギヤ３には、フランジ４１に設けられた内側円錐面４３に接触する円筒面３４が設けられ、第２のギヤ５には、フランジ４１に設けられた内側円錐面４５に接触する円筒面５４が設けられている。
【００４６】
面３４と面４３、面５４と面４５は、それぞれ図２（ａ）で下方および上方の位相のみで接触可能な形状の接触面となっており、その接触面の軸線Ｃ０および傾斜軸線Ｃ１に対する半径の比が歯数の逆数比と等しい。これらの受け面部（接触面）には微小なすき間が設けられており、負荷が無い状態では接触せず、負荷が作用してギヤ３，４，５に微小な歪みが生じた際に、接触して揺動ギヤ４の姿勢変化を防ぐように作用する。この時、面３４と面４３に作用する力と第１のギヤ３と揺動ギヤ４の歯面に作用する力の合力は、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照すると、上下方向は逆方向で相殺し、揺動ギヤ４を左方向に押す力になる。一方、面５４と面４５に作用する力と第１のギヤ３と揺動ギヤ４の歯面に作用する力の合力は、同様に揺動ギヤ４を右方向に押す力になる。したがって、クロスローラ軸受５１に軸方向の負荷が生じるが、モーメント力による負荷は小さく抑えることができ、ギヤ３，４，５の姿勢変化が防止され振動が大きくなることがない。また、前述のように接触面の軸線Ｃ１および軸線Ｃ１に対する半径の比を歯数の逆数比としているので、接触面の瞬間接線速度が等しく、ころがり接触状態になっている。このため損失トルクの増大や摩耗を最小限に抑えることができる構成となっている。
【００４７】
ところで、揺動ギヤ４の傾斜方向は、歯の噛合いには拘束されず、ステータ磁気回路２０がロータ磁気回路６０に及ぼす電磁力によって拘束されている。図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、ステータ磁気回路２０は、電磁鋼板等の軟磁性材からなる断面Ｅ字形状のステータヨーク２１と、ステータヨーク２１のスロット部に巻き回されたコイル２２とを有する。ステータヨーク２１は、軸線Ｃ０に向かう半径方向内側に突出する２つの突極２５，２６と、２つの突極２５，２６の間に形成され、半径方向内側に突出する中央の突極２４とを有する。ステータ磁気回路２０は、ステータヨーク２１及びコイル２２からなるコアを円周上に６個並べ、基板２３上でコイル２２間が接続されて構成されている。基板２３は、不図示の端子を介してドライブ回路に接続されている。
【００４８】
ロータ磁気回路６０は、傾斜軸線Ｃ１の方向に着磁（磁化）された円環状の永久磁石６１と、永久磁石６１の両端面に設けられた軟磁性材からなるロータヨーク６２，６３とを有している。ロータ磁気回路６０は、ロータ磁気回路６０の外周面、即ち永久磁石６１の外周面が半径方向でステータ磁気回路２０に対向するように配置されている。図２（ａ）中、下方の位相では、永久磁石６１のＮ極が発する磁束は、ロータヨーク６２を通り、対面している突極２５からステータヨーク２１に入り、中央の突極２４から出て対面しているロータヨーク６３を通って永久磁石６１のＳ極に戻る。図２（ａ）中、上方の位相では、逆にロータヨーク６２から中央の突極２４に入り、突極２６からロータヨーク６３に戻る。中間の位相では、これらの中間の磁束分布となる。なお、フランジ４１はロータ磁気回路６０に影響しないようにアルミや真鍮などの非磁性材を用いればよい。
【００４９】
次に、ステータ磁気回路２０のコイル２２の配線と駆動方法について、図２（ｃ）〜図２（ｅ）を用いて説明する。図２（ｃ）において、６個のコイル２２は、１８０度対向する位置にある２個を一組として駆動電流により逆方向に励磁されるように結線され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３組に分けられている。これら３相のコイル２２は、図２（ｄ）のようにＹ字状に結線されており、図２（ｅ）のような駆動電流が流される。
【００５０】
図２（ｅ）において、横軸は時間、縦軸は各相の電流である。時刻ａには、Ｕ相にはプラス方向に最大の電流が流れ、これがＶ相とＷ相にマイナス方向に分割して流されており、時刻ｂ，ｃ，ｄの順に、正弦波状に各相の電流が変化するように駆動される。図２（ｃ）において、上方と下方のコイル２２をＵ相、左方向から見て時計周りに１２０度方向をＶ相、残りをＷ相とし、プラス方向の電流で中央の突極２４が励磁される方向を矢印で示すと図２（ｃ）のようになる。
【００５１】
例えば時刻ａにおいては、Ｕ相が上方に最大、Ｖ相とＷ相は図中の矢印と反対の斜め上方に５０％の強さの磁束を生じる。したがって、紙面上方の３個のステータヨーク２１の中央突極２４はＳ極に励磁され、下方の３個のステータヨーク２１の中央突極２４はＮ極に励磁される。
【００５２】
これにより、ロータヨーク６２には、上方では中央突極２４から吸引力が作用し、突極２５から反発力が作用する。またロータヨーク６２には、下方では突極２５に吸引力が作用し、中央突極２４から反発力が作用する。また、ロータヨーク６３には、上方では突極２６から吸引力が作用し、中央突極２４から反発力が作用し、下方では中央突極２４から吸引力が作用し、突極２６から反発力が作用する。したがって、これらの合力は図２（ａ）に示す方向にロータ磁気回路６０を傾斜させるモーメント力となる。
【００５３】
次に時刻ｂにおいては、Ｗ相が斜め上方に最大、Ｕ相は上方に５０％、Ｖ相は斜め下方に５０％の強さの磁束を生じる。したがって、ロータ磁気回路６０に作用するモーメント力は、紙面左方向からみて時計回りに６０度回転することになり、時刻ｃ，ｄ，ｅ，ｆと６０度ずつ回転していく。このように、図２（ｅ）に示した３相電流で駆動することで、ロータ磁気回路６０に作用するモーメント力の方向を滑らかに連続回転させることができる。
【００５４】
前述したように、ロータ磁気回路６０と一体の揺動ギヤ４は、２つのギヤ３，５によって位置と傾斜角が拘束されており、このようにモーメント力の方向が回転すると、これに応じて傾斜方向が回転しながら揺動することになる。
【００５５】
次にアクチュエータ１０の動作について、図２（ａ）及び図２（ｃ）を用いて説明する。前述のように３相駆動電流によって、ロータ磁気回路６０に作用するモーメント力の方向を回転させると、傾斜軸線Ｃ１と軸線Ｃ０の交点である基準点Ｏのまわりを揺動ギヤ４が１回揺動運動する。
【００５６】
このとき、第１のギヤ３と揺動ギヤ４との歯数差の角度だけ揺動ギヤ４が回転（公転）する。即ち、モーメント力の方向が（Ｚ１＋１）回転すると、揺動ギヤ４（傾斜軸線Ｃ１）が１回転公転する。一方、第２のギヤ５と揺動ギヤ４との間にも揺動による公転が生じる。即ち、この構成は、揺動ギヤ４の公転を第２の差動歯車機構で取り出すようにした構成である。この差動歯車機構の減速比は、１−（Ｚ１（Ｚ２＋１））／（（Ｚ１＋１）Ｚ２）で計算できることが知られている。例えば、Ｚ１＝２４、Ｚ２＝４８の時、１／５０の減速比が得られる。また、例えば、Ｚ１＝４８、Ｚ２＝４９とすれば、１／２４０１という大減速比も可能であり、このアクチュエータ１０は、１／２０程度の低減速比から数千分の１という大減速比まで、広い範囲の減速比を実現することが可能である。
【００５７】
このとき、揺動ギヤ４に揺動運動を起こさせるモーメント力は、この減速比に応じて増大された非常に大きな回転トルクを第２のギヤ５に発生させる。即ち、図２（ｂ）において、揺動ギヤ４の傾斜方向を紙面手前側が第１のギヤ３と最も深く噛み合う方向に、磁気回路からのモーメント力がかかると、歯４６が歯３６を右方向に押して、揺動ギヤ４が上方に公転する力が発生する。一方、この力により歯４７が歯５７を上方に押しながら右方向に抜けようとするが、減速比の逆数倍にその力は増大される。
【００５８】
即ち、ステータ磁気回路２０とロータ磁気回路６０が発生する、高速低トルクのモーメント力の回転から、低速大トルクの出力トルクが得られるアクチュエータ１０が実現できる。しかも、ほぼ１８０度にわたる多くの歯でトルクを分担することができるので、一般的なモータと減速機の組み合わせに比較して、小径化が可能である。さらに軸や軸受などの部品点数も少なく、小型軽量、低コストで強力なアクチュエータが実現可能である。しかも、入力軸がないため、出力軸５０には大きな中空孔５３を設けることができるので、ロボットアーム１０１の関節Ｊ１〜Ｊ６として用いる場合の配線やエアー用の配管を通すこともできる。
【００５９】
なお、出力軸５０に負荷トルクがかかると、駆動電流によるモーメント力の方向と揺動ギヤ４の傾斜方向に位相差が生じるのは、一般的なブラシレスモータ等と同様である。この位相差は９０度のときに最大となるので、ホール素子や容量センサなどの不図示の傾斜方向を検出するセンサを用いて効率的な３相駆動を行うようにすることができる。たとえば、３個のホール素子を１２０度位相に設けることでロータ磁気回路６０の傾斜方向を検出すればよい。また、いわゆるセンサレス駆動回路と同様に、コイル２２のインダクタンスや逆起電圧から検出するようにしてもよい。
【００６０】
以上、第１実施形態のアクチュエータ１０によれば、第１のギヤ３及び第２のギヤ５で揺動ギヤ４の傾斜角度と軸方向位置を拘束し、ステータ磁気回路２０及びロータ磁気回路６０により傾斜方向を拘束するようにしている。このため、入力軸や入力軸を支持する軸受等を設ける必要が無く、部品点数を削減することができる。しかも、多数の歯で負荷トルクを分担することができるので、大型化することなく、組立性が良く、高負荷容量化、高剛性化、低損失化を図ることができる。
【００６１】
また、第１実施形態のアクチュエータ１０によれば、揺動ギヤ４を支持するフランジ４１が第１のギヤ３及び第２のギヤ４に接触することで、揺動ギヤ４が第１のギヤ３及び第２のギヤ４に半径方向に支持されている。このため、特に大負荷トルク時の軸受負荷が軽減されるので、更なる高負荷容量化及び高剛性化を図ることができる。
【００６２】
また、第１実施形態のアクチュエータ１０によれば、フランジ４１とギヤ３，５との接触面が、相対速度が無い部位で接触する形状、即ちフランジ４１がギヤ３，５に対してころがり接触する形状に形成されている。このため、滑り接触する場合に比べて、更なる高負荷容量化及び高剛性化を図ることができる。
【００６３】
なお、第１実施形態の説明で示したほぼ全周に亘って接触する歯型は、一例であってこれに限られるものではない。例えば圧力角が大きくトルク伝達に寄与しないすれ違い位置付近と最噛合位置付近とを離間させるために、歯先の先端部と歯元の最凹部を削り取ってもよい。あるいは、一方の歯の先端部を半径一定の円弧状とし、これが相手の歯のまわりを動く軌跡の外接線（通過領域に倣わせた形状）として求めた曲線を相手の歯の形状とする。そして求められた相手の歯が先端部が円弧状の歯のまわりを動く軌跡の外接線として求めた曲線を先端部が円弧状の歯の形状としてもよい。２つのギヤ３，５で揺動ギヤ４の位置と傾斜角を拘束できるように、最噛合位置付近に対して、±９０度方向をまたいで複数の歯が常時噛合う歯型であればよい。
【００６４】
また、第１実施形態では、３相正弦波の駆動波形の例を説明したが、３相ステップ駆動としてもよい。特に前述したように１／２４０１のような大減速比も５０歯程度の少ない歯数で可能であり、１回転１４４０６ステップの高分解能モータが容易に実現できる。
【００６５】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るロボット装置について、図１を援用すると共に、図５を参照しながら説明する。図５は、第２実施形態に係るアクチュエータを説明するための図である。第２実施形態に係るロボット装置は、アクチュエータ１０Ａが第１実施形態のアクチュエータ１０と相違する。そのため、第２実施形態においては、第１実施形態と相違する点、即ち、アクチュエータ１０Ａを中心に説明し、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００６６】
図５（ａ）はアクチュエータ１０Ａの断面図、図５（ｂ）はアクチュエータ１０Ａの歯車の側面図、図５（ｃ）はアクチュエータ１０Ａの磁気回路の分解斜視図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、アクチュエータ１０Ａは、前記第１実施形態と略同様、ハウジング（第１の軸）３０と、ハウジング３０に対してクロスローラ軸受５１を介して回転自在に支持された出力軸（第２の軸）５０とを備えている。出力軸５０は、ハウジング３０と同軸に配置されている。また、アクチュエータ１０Ａは、前記第１実施形態と異なる構成の駆動機構７０Ａを備えている。駆動機構７０Ａは、ハウジング３０に対して出力軸５０を回転駆動する。つまり、出力軸５０は、駆動機構７０Ａによる駆動により、ハウジング３０に対して相対的に回転する。
【００６７】
第２実施形態では、第１の軸がハウジング３０であるので、駆動機構７０Ａは、ハウジング３０の内部に収容されている。駆動機構７０Ａは、円環状に形成されており、出力軸５０は、駆動機構７０Ａの内側に配置されている。
【００６８】
駆動機構７０Ａは、第１のギヤ３Ａ、第２のギヤ５Ａ、及び第１の揺動ギヤである揺動ギヤ４Ａを有する。これらギヤ３Ａ，５Ａは、ハウジング３０と同軸に配置されている。第１のギヤ３Ａ及び第２のギヤ５Ａは、出力軸５０の外側に固定されている。第１のギヤ３Ａと第２のギヤ５Ａとは、一方の面に同じ歯数Ｚ２の歯を有するフェースギヤであり、揺動ギヤ４Ａは、両面に歯数Ｚ２＋１の歯を有するフェースギヤである。揺動ギヤ４Ａを所定角度傾斜させて、第１のギヤ３Ａ及び第２のギヤ５Ａと、揺動ギヤ４Ａとが噛み合わされている。
【００６９】
第２実施形態においても、多数の歯が同時に接触する歯型を用いており、揺動ギヤ４Ａの傾斜角と軸方向の位置は、第１のギヤ３Ａと第２のギヤ５Ａにはさまれることで、拘束されている。そして、揺動ギヤ４Ａには軟磁性材で形成されたフランジ（ロータ磁気回路）６０Ａが設けられ、ハウジング３０とフランジ６０Ａとの間には、ハウジング３０と揺動ギヤ４Ａとを連結する等速ジョイント（継手機構）９が設けられている。
【００７０】
フランジ６０Ａは、揺動ギヤ４Ａに固定されている。フランジ６０Ａは、揺動ギヤ４Ａから傾斜軸線Ｃ１の方向の両側に突出する一対の突出片６１Ａ，６２Ａを有する。
【００７１】
第２実施形態では、ステータ磁気回路として、２つの外径側ステータ磁気回路２０Ａ，２０Ｂと２つの内径側ステータ磁気回路２９Ａ，２９Ｂとがハウジング３０に同軸に固定して設けられている。
【００７２】
外径側ステータ磁気回路２０Ａと内径側ステータ磁気回路２９Ａとは、半径方向で互いに対向するように間隔をあけて配置されている。また、外径側ステータ磁気回路２０Ｂと内径側ステータ磁気回路２９Ｂとは、半径方向で互いに対向するように間隔をあけて配置されている。
【００７３】
等速ジョイント９は、様々な形式があるが、例えば自動車のドライブシャフトなどに使用され、高い等速性と伝達効率が得られるものと同様の構成としてもよい。第２実施形態では、等速ジョイント９は、内輪９１と、外輪９２と、内輪９１に球面で支持されたリテーナ９４と、ボール９３と、を有し、内輪９１及び外輪９２に直線状のレース面を設けて構成されている。等速ジョイント９は、外輪９２に対する軸方向位置が可変であり、内輪９１と揺動ギヤ４Ａの軸方向の位置を合わせてさえおけば、組立時にハウジング３０と出力軸５０の軸方向の位置の調整が不要になる。したがって、運転時のクロスローラ軸受５１への負荷も無くすことができ、好都合である。なお、内輪及び外輪とも、軸方向位置が固定の形式のものであってもよく、調整組立すれば使用できる。
【００７４】
次に第２実施形態のアクチュエータ１０Ａの動作について、図５（ａ）及び図５（ｂ）を用いて説明する。ステータ磁気回路２０Ａ，２０Ｂ，２９Ａ，２９Ｂは、フランジ６０Ａの一対の突出片６１Ａ，６２Ａの周方向の一部分に電磁力による吸引力を作用させて吸引する。これにより、外径側ステータ磁気回路２０Ａ，２０Ｂと内径側ステータ磁気回路２９Ａ，２９Ｂからの電磁力により、ロータ磁気回路であるフランジ６０Ａが、傾斜軸線Ｃ１と軸線Ｃ０の交点である基準点Ｏのまわりのモーメント力を受ける。このモーメント力による傾斜方向が軸線Ｃ１のまわりを回転すると、揺動ギヤ４Ａは、等速ジョイント９に公転を拘束されているので、回転せずにその場で揺動運動する。一回の揺動運動につき、第１のギヤ３Ａ及び第２のギヤ５Ａと揺動ギヤ４Ａとの歯数差の角度だけ第１のギヤ３Ａ及び第２のギヤ５Ａが回転させられ、出力軸５０を回転させる。即ち、この構成は一段の差動歯車機構の構成である。このような差動歯車機構の減速比は、−１／Ｚ２で計算できる。例えば、Ｚ２＝４８の時、−１／４８の減速比が得られる。
【００７５】
ここで第２実施形態のアクチュエータ１０Ａにおける負荷トルクによって各部に作用する力をみる。図５（ａ）及び図５（ｂ）において、紙面左方向からみて時計回りの負荷トルクが出力軸５０に作用すると、紙面手前側の位相では第２のギヤ５Ａの歯５７Ａが揺動ギヤ４Ａの歯４７Ａを左下方向に押すことになる。下方向の力は等速ジョイント９に拘束される。一方紙面奥側の位相では、第１のギヤ３Ａの歯３６Ａが揺動ギヤ４Ａの歯４６Ａを右上方向に押すことになり、同様に上方向の力は等速ジョイント９に拘束される。このため、揺動ギヤ４Ａは上方から見て基準点Ｏのまわりの時計方向のモーメント力のみを受け、傾斜方向を画面左から見て反時計方向に回転させようとする。即ち、揺動ギヤ４Ａに作用する力は傾斜方向を回転させる成分以外は相殺されることになり、軸方向や偏心方向の力は作用せず、傾斜方向を時計回りに回転させるモーメント力のみが発生し、これが電磁力と釣り合うことになる。したがって、クロスローラ軸受５１にかかる力も小さく抑えることができ、高い効率と低振動、低騒音が実現可能である。
【００７６】
なお、揺動ギヤ４Ａの公転の拘束には、ボール９３を用いるものに限るものではなく、いわゆるジンバル機構やバネ継ぎ手などの他の構成の継手機構も使用可能である。
【００７７】
次にアクチュエータ１０Ａの駆動方法について、図５（ａ）及び図５（ｃ）を用いて説明する。外径側ステータ磁気回路２０Ａと内径側ステータ磁気回路２９Ａには、１２個の突極を有するステータヨーク２１とコイル２２が設けられている。隣り合うコイル２２は互いに逆方向にステータヨーク２１の突極を励磁するように、かつ対向する外径側と内径側のステータヨーク２１の突極が逆方向に励磁されるように接続されている。したがって、４個のコイル２２が一組の集中した磁界を突極間に形成するようになっており、これが６相分並べられていることになる。
【００７８】
また、外径側ステータ磁気回路２０Ｂと内径側ステータ磁気回路２９Ｂも同様に６相に配線され、１８０度の位置の相が同時に励磁されるようになっている。このため、図５（ａ）で紙面下方のステータ磁気回路２０Ａ，２９Ａと紙面上方のステータ磁気回路２０Ｂ，２９Ｂが励磁されると、電磁力によってフランジ６０Ａは点Ｏのまわりに、紙面に向かって時計回りのモーメント力を受ける。６相を順次駆動することによって、フランジ６０Ａにかかるモーメント力の方向が回転することで、揺動ギヤ４Ａの傾斜方向を回転させることができる。これは、いわゆるリラクタンスモータと同様の構成であり、永久磁石が不要で揺動部を軽量、堅牢にすることができる特徴があるので、比較的高速駆動に好適である。
【００７９】
なお、ロータ磁気回路として、永久磁石を用いる前記第１実施形態と同様の構成も適用可能である。また、第２実施形態では、等速ジョイント９で揺動ギヤ４Ａの公転を拘束しているが、第１のギヤ３Ａおよび第２のギヤ５Ａを固定歯車として、揺動ギヤ４Ａの公転を等速ジョイント９で取り出すようにしても良い。
【００８０】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係るロボット装置について、図１を援用すると共に、図６を参照しながら説明する。図６は、第３実施形態に係るアクチュエータを説明するための図である。第３実施形態に係るロボット装置は、アクチュエータ１０Ｂが第１、第２実施形態のアクチュエータ１０，１０Ａと相違する。そのため、第３実施形態においては、第１，第２実施形態と相違する点、即ち、アクチュエータ１０Ｂを中心に説明し、第１，第２実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００８１】
図６（ａ）はアクチュエータ１０Ｂの断面図、図６（ｂ）はアクチュエータ１０Ｂの磁気回路の分解斜視図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、アクチュエータ１０Ｂは、前記第１実施形態と略同様、ハウジング（第１の軸）３０と、ハウジング３０に対してクロスローラ軸受５１を介して回転自在に支持された出力軸（第２の軸）５０とを備えている。出力軸５０は、ハウジング３０と同軸に配置されている。また、アクチュエータ１０Ｂは、前記第１実施形態と異なる構成の駆動機構７０Ｂを備えている。駆動機構７０Ｂは、ハウジング３０に対して出力軸５０を回転駆動する。つまり、出力軸５０は、駆動機構７０Ｂによる駆動により、ハウジング３０に対して相対的に回転する。
【００８２】
駆動機構７０Ｂは、前記第２実施形態と同様、第１のギヤ３Ａ、第２のギヤ５Ａ、及び第１の揺動ギヤである揺動ギヤ４Ａを有すると共に、第３のギヤ３Ｂ、第４のギヤ５Ｂ、及び第２の揺動ギヤである揺動ギヤ４Ｂを有している。これらギヤ３Ａ，５Ａ，３Ｂ，５Ｂは、ハウジング３０と同軸に配置されている。
【００８３】
第１のギヤ３Ａ及び第２のギヤ５Ａは、出力軸５０の外側に固定されている。第１のギヤ３Ａは、一方の面に歯数Ｚ２の歯３６Ａを有するフェースギヤである。第２のギヤ５Ａは、一方の面に歯３６Ａと同数の歯数Ｚ２の歯５７Ａを有するフェースギヤである。揺動ギヤ４Ａは、両面に歯数Ｚ２＋１の歯４６Ａ，４７Ａを有するフェースギヤである。揺動ギヤ４Ａを所定角度傾斜させて、第１のギヤ３Ａ及び第２のギヤ５Ａと、揺動ギヤ４Ａとが噛み合わされている。
【００８４】
第３実施形態においても、多数の歯が同時に接触する歯型を用いており、揺動ギヤ４Ａの傾斜角と軸方向の位置は、第１のギヤ３Ａと第２のギヤ５Ａにはさまれることで、拘束されている。そして、揺動ギヤ４Ａには軟磁性材からなるフランジ６０Ａが設けられ、外径側ステータ磁気回路２０Ａ，２０Ｂと内径側ステータ磁気回路２９Ａ，２９Ｂがハウジング３０に同軸に設けられている。
【００８５】
第３実施形態において前記第２実施形態と異なるのは、等速ジョイントの代わりに、第二の差動歯車機構を設けていることである。
【００８６】
即ち、揺動ギヤ４Ｂは、フランジ６０Ａの外周側に設けられ、揺動ギヤ４Ａと同軸で一体に回転する。揺動ギヤ４Ｂは、一方の面に歯数Ｚ１＋１の第３の歯４６Ｂ、他方の面に歯数Ｚ１＋１の第４の歯４７Ｂを有するフェースギヤである。第３のギヤ３Ｂ及び第４のギヤ５Ｂは、ハウジング３０の内側に固定されている。第３のギヤ３Ｂは、一方の面に歯数Ｚ１の歯（軸方向の一方側を指向する歯）３６Ｂを有するフェースギヤである。第４のギヤ５Ｂは、一方の面に歯３６Ｂと同数の歯数Ｚ１の歯（第３のギヤ３Ｂに対向する歯）５７Ｂを有するフェースギヤである。揺動ギヤ４Ｂを所定角度傾斜させて、第３のギヤ３Ｂ及び第４のギヤ５Ｂと、揺動ギヤ４Ｂとが噛み合わされている。即ち、揺動ギヤ４Ｂの第３の歯４６Ｂは、第３のギヤ３Ｂの歯３６Ｂに斜めに噛合し、揺動ギヤ４Ｂの第４の歯４７Ｂは、第４のギヤ５Ｂの歯５７Ｂに斜めに噛合する。これらの歯車の歯型も、前記所定角度と同一の傾斜角度で多数の歯が同時に接触する歯型としている。したがって、４個のギヤ３Ａ，５Ａ，３Ｂ，５Ｂは、すべて出力軸５０と同軸の状態で揺動ギヤ４Ａ，４Ｂに滑らかに噛合うことになる。
【００８７】
次に第３実施形態のアクチュエータ１０Ｂの動作について、図６（ａ）及び図６（ｂ）を用いて説明する。第３実施形態の第１のギヤ３Ａ及び第２のギヤ５Ａは、前記第１実施形態の第２のギヤ５に相当し、第３のギヤ３Ｂ及び第４のギヤ５Ｂは前記第１実施形態の第２のギヤ５に相当するものであり、同様の２段差動歯車機構として作用する。したがって、フランジ６０Ａに作用するモーメント力の方向を回転させることで揺動ギヤ４Ａ，４Ｂを揺動させ、出力軸５０を回転させる動作は前記第１実施形態と同様である。得られる減速比も中程度から非常に大きなものまで実用的な歯数で実現でき、大きなトルクを発生できる点も同様である。
【００８８】
ここで第３実施形態における負荷トルクによって各部に作用する力をみると、第１のギヤ３Ａ及び第２のギヤ５Ａと、揺動ギヤ４Ａとの関係は、前記第２実施形態と同様であり、トルクと傾斜方向を回転させる力は相殺する。また、第３のギヤ３Ｂ及び第４のギヤ５Ｂと揺動ギヤ４Ｂとの関係もまた同様であるので、前記第２実施形態と同様に、クロスローラ軸受５１にかかる力を小さく抑えることができ、高い効率と低振動、低騒音が実現可能である。なお、駆動については前記第２実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００８９】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係るロボット装置について、図１を援用すると共に、図７を参照しながら説明する。図７は、第４実施形態に係るアクチュエータを説明するための図である。第４実施形態に係るロボット装置は、アクチュエータ１０Ｃが第１〜第３実施形態のアクチュエータ１０〜１０Ｂと相違する。そのため、第４実施形態においては、第１〜第３実施形態と相違する点、即ち、アクチュエータ１０Ｃを中心に説明し、第１〜第３実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００９０】
図７（ａ）はアクチュエータ１０Ｃの断面図、図７（ｂ）はアクチュエータ１０Ｃの歯車の側面図である。第４実施形態では、前記第１実施形態に係るアクチュエータ１０の駆動機構７０を一対備えたものである。一対の駆動機構７０−１，７０−２は、軸線Ｃ０に対して垂直な仮想面ＰＬで面対称に配置されている。なお、駆動機構７０−１は、第１実施形態の駆動機構７０と同じ配置であり、駆動機構７０−２は、第１実施形態の駆動機構７０に対して面対称配置である。
【００９１】
図７（ａ）及び図７（ｂ）で明らかなように、第１のギヤ３−１，３−２及びステータ磁気回路２０−１，２０−２は、軸方向面対称にハウジング３０に一体に固定されている。第２のギヤ５−１，５−２は、軸方向面対称に出力軸５０に一体に固定されている。揺動ギヤ４−１及びロータ磁気回路６０−１と、揺動ギヤ４−２及びロータ磁気回路６０−２とは、軸方向面対称に配置されている。揺動ギヤ４−１は、軸線Ｃ０に対して基準点Ｏ−１を基準に傾斜する傾斜軸線Ｃ１−１まわりに回転自在に設けられている。揺動ギヤ４−２は、軸線Ｃ０に対して基準点Ｏ−２を基準に傾斜する傾斜軸線Ｃ１−２まわりに回転自在に設けられている。
【００９２】
このように構成することで、揺動ギヤ４−１，４−２から第１のギヤ３−１，３−２に作用する力は軸方向成分が相殺される。また、揺動ギヤ４−１，４−２から第２のギヤ５−１，５−２に作用する力も軸方向成分が相殺される。一方で出力トルクは２倍になる。このため、クロスローラ軸受５１の負荷が軽減され、高効率、低振動の高トルク出力のアクチュエータ１０Ｃが実現できる。
【００９３】
なお、アクチュエータが、一対の駆動機構を複数備え、これら複数組の一対の駆動機構を軸方向に直列に並べてもよい。その際、２組であれば１８０度、３組であれば１２０度の位相差で、傾斜方向を同期して回転させれば、出力軸５０に作用するトルクの作用点のバランスが改善され、さらに低振動の高トルク出力のアクチュエータが実現できる。
【００９４】
＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態に係るロボット装置について、図１を援用すると共に、図８を参照しながら説明する。図８は、第５実施形態に係るアクチュエータを説明するための図である。第５実施形態に係るロボット装置は、アクチュエータ１０Ｄが第１〜第４実施形態のアクチュエータ１０〜１０Ｃと相違する。そのため、第４実施形態においては、第１〜第４実施形態と相違する点、即ち、アクチュエータ１０Ｄを中心に説明し、第１〜第４実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００９５】
図８（ａ）はアクチュエータ１０Ｄの断面図、図８（ｂ）はアクチュエータ１０Ｄの歯車の側面図である。アクチュエータ１０Ｄは、第１の軸である固定軸３０Ｄと、固定軸３０Ｄと同軸に配置され、固定軸３０Ｄに対して回転自在に設けられた第２の軸であるハウジング５０Ｄと、を備えている。また、アクチュエータ１０Ｄは、固定軸３０Ｄに対してハウジング５０Ｄを回転駆動する駆動機構７０Ｄと、を備えている。
【００９６】
ハウジング５０Ｄは、固定軸３０Ｄと同軸に配置され、固定軸３０Ｄにクロスローラ軸受５１により回転自在に支持されている。駆動機構７０Ｄは、固定軸３０Ｄに対してハウジング５０Ｄを回転駆動する。つまり、ハウジング５０Ｄは、駆動機構７０Ｄによる駆動により、固定軸３０Ｄに対して相対的に回転する。
【００９７】
前記第１〜第４実施形態では、第１の軸がハウジング３０であり、第２の軸が出力軸５０である場合について説明したが、第５実施形態では、第１の軸が固定軸３０Ｄであり、第２の軸が駆動機構７０Ｄを収容するハウジング５０Ｄである。駆動機構７０Ｄは、円環状に形成されており、固定軸３０Ｄは、駆動機構７０Ｄの内側に配置されている。
【００９８】
固定軸３０Ｄには、中空孔５３が形成されている。クロスローラ軸受５１は、外輪がハウジング５０Ｄの内側面に固定され、内輪が固定軸３０Ｄの外側面に固定されている。
【００９９】
第５実施形態では、第４実施形態と同様、駆動機構７０Ｄを一対備えている。一対の駆動機構７０Ｄ，７０Ｄが、軸線Ｃ０に対して垂直な仮想面ＰＬで面対称に配置されている。したがって、本第５実施形態では、面対称ではあるが、各駆動機構７０Ｄ，７０Ｄについて面対称の同一部材については、同一符号を付して説明する。
【０１００】
駆動機構７０Ｄは、第１のギヤ３Ｄと、第２のギヤ５Ｄと、第１の揺動ギヤである揺動ギヤ４Ｄと、ステータ磁気回路２０Ｄと、ロータ磁気回路６０Ｄとを備えている。第１のギヤ３Ｄ、第２のギヤ５Ｄ、揺動ギヤ４Ｄ、ステータ磁気回路２０Ｄ及びロータ磁気回路６０Ｄは、円環状に形成されている。第１のギヤ３Ｄ、第２のギヤ５Ｄ及びステータ磁気回路２０Ｄは、ハウジング５０Ｄ及び固定軸３０Ｄと同軸に配置されている。
【０１０１】
ステータ磁気回路２０Ｄは、固定軸３０Ｄの外側に固定されている。揺動ギヤ４Ｄには、揺動ギヤ４Ｄを支持する支持手段としてのフランジ４１Ｄが固定されており、フランジ４１Ｄには、ロータ磁気回路６０Ｄが固定されている。これにより、揺動ギヤ４Ｄには、ロータ磁気回路６０Ｄがフランジ４１Ｄを介して一体に固定されている。具体的に説明すると、ロータ磁気回路６０Ｄの外側に、円環状のフランジ４１Ｄが固定され、フランジ４１Ｄの外側に揺動ギヤ４Ｄが固定されている。これら一体化された揺動ギヤ４Ｄ及びロータ磁気回路６０Ｄが、ステータ磁気回路２０Ｄの外側に配置されている。
【０１０２】
第１のギヤ３Ｄ、第２のギヤ５Ｄ及び揺動ギヤ４Ｄは、フェースギヤとなっており、第１のギヤ３Ｄ及び第２のギヤ５Ｄは片面に、揺動ギヤ４Ｄは両面に歯が形成されている。そして、第１のギヤ３Ｄと第２のギヤ５Ｄとの間に揺動ギヤ４Ｄが配置されている。第１のギヤ３Ｄは、固定軸３０Ｄ及びハウジング５０Ｄのうちいずれか一方の軸、第５実施形態では、図８（ａ）に示すように、固定軸３０Ｄに固定されている。第２のギヤ５は、ハウジング５０Ｄに固定されている。
【０１０３】
揺動ギヤ４Ｄは、第１のギヤ３Ｄ及び第２のギヤ５Ｄの間に配置され、軸線Ｃ０に対して傾斜する傾斜軸線Ｃ１まわりに回転自在に設けられている。
【０１０４】
以上、第５実施形態に係るアクチュエータ１０Ｄは、前記第４実施形態に係るアクチュエータ１０Ｃの歯車機構部を外径側に、ロータ磁気回路６０Ｄ、ステータ磁気回路２０Ｄを内径側に入れ替えたものである。動作は同様であるので、説明は省略するが、ステータ磁気回路２０Ｄを外径側に設けると放熱に有利であり、歯車機構部を外径側に設けると最大負荷トルクや衝撃負荷に強くできる。特に歯車に低コストの樹脂製のものを使用する場合は、歯車機構部を外径側にしたほうが、大きな出力トルクを得やすくなる。
【０１０５】
以上第５実施形態によれば、前記第１〜第４実施形態と同様、多数の歯が連続的に噛み合う第１のギヤ３Ｄ及び第２のギヤ５Ｄで揺動ギヤ４Ｄの傾斜角度と軸方向位置を拘束し、また、傾斜方向をモーメント力で回転させるようにしている。これにより、小型で高性能かつ低コストのアクチュエータ１０Ｄが実現できる。
【０１０６】
また、負荷トルクを多数の歯で分担できるので、小型軽量で高負荷トルク、高剛性、高効率のアクチュエータ１０Ｄが実現できる。したがって、これをロボットアームの関節に用いることで、ロボットを高性能化することが可能になる。
【０１０７】
なお、前記第１〜第３実施形態に係るアクチュエータ１０〜１０Ｂにおいても、同様に歯車機構部とロータ磁気回路、ステータ磁気回路を外径側と内径側に入れ替えることは可能であり、最適な構成を選択すればよい。
【０１０８】
また、前記第１〜第４実施形態では、磁石を用いるブラシレスモータと磁石を用いないリラクタンスモータの構成を示したが、これに限定されることはなく、他の方式でも適用可能である。例えば、ロータ側にコイルを設けてブラシで給電するコアレスモータの構成などでもよく、電磁力で揺動歯車にモーメント力を作用させ、傾斜方向を回転させるようにすればよい。これにより、すべての歯車が多くの歯でバランスよく負荷を分担しあい、軸受が少なく部品点数が最少ですむので、小型で高負荷容量、高剛性、高効率なアクチュエータが実現できる。
【０１０９】
なお、前記第１〜第５実施形態では、ロボットにアクチュエータを適用した場合について説明したが、本発明はロボットにかぎらず、他の用途、たとえば電動車両の駆動やベルトコンベヤなど、小型大トルクが必要なものに好適である。
【０１１０】
また、前記第１〜第５実施形態の歯車機構では、多数の歯でトルクを分担できるので、例えば、歯車材として高性能鋼を使用すれば非常に高性能なアクチュエータが実現できる。なお、歯車材としては、低コストの一般鋼でもよく、非鉄金属や焼結材、樹脂なども適用可能である。
【０１１１】
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
３…第１のギヤ、４…揺動ギヤ、５…第２のギヤ、１０…アクチュエータ、２０…ステータ磁気回路、３０…ハウジング（第１の軸）、５０…出力軸（第２の軸）、６０…ロータ磁気回路、７０…駆動機構、１００…ロボット、１０１…多関節ロボットアーム、５００…ロボット装置
【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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