(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業用ロボットの手首に取り付けられる減速装置であり、第１減速機構と第２減速機構を有し、
第１減速機構は、入力軸と一体に自転する第１平歯車と、第１平歯車に噛み合っている第２平歯車を備え、
第２減速機構は、第２平歯車と一体に自転するとともにその自転にともなって偏心カムを偏心回転させるクランク軸と、偏心カムと係合して揺動運動をする外歯歯車と、外歯歯車の揺動運動を許容しつつ外歯歯車と局所的に噛み合った状態で外歯歯車を内包するとともに外歯歯車の歯数と異なる歯数を有する内歯歯車を備えており、
内歯歯車と外歯歯車の一方がロボットアームの基部側部材に自転不能に拘束され、内歯歯車と外歯歯車の他方がロボットアームの先端側部材に自転不能に拘束される減速装置であり、
前記内歯歯車の内径Ｄが、１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍであり、
前記先端側部材に伝達されるトルクＴが、６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍであり、
前記内歯歯車の歯数Ｎが、内歯歯車と外歯歯車の歯数差の４０倍未満であることを特徴とする減速装置。
【請求項２】
産業用ロボットの手首に取り付けられる減速装置であり、第１減速機構と第２減速機構を有し、
第１減速機構は、入力軸と一体に自転する第１平歯車と、第１平歯車に噛み合っている第２平歯車を備え、
第２減速機構は、第２平歯車と一体に自転するとともにその自転にともなって偏心カムを偏心回転させるクランク軸と、偏心カムと係合して揺動運動をする外歯歯車と、外歯歯車の揺動運動を許容しつつ外歯歯車と局所的に噛み合った状態で外歯歯車を内包するとともに外歯歯車の歯数と異なる歯数を有する内歯歯車を備えており、
内歯歯車と外歯歯車の一方がロボットアームの基部側部材に自転不能に拘束され、内歯歯車と外歯歯車の他方がロボットアームの先端側部材に自転不能に拘束される減速装置であり、
前記内歯歯車の内径Ｄが、１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍであり、
前記先端側部材に伝達されるトルクＴが、２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍであり、
前記内歯歯車の歯数Ｎが、内歯歯車と外歯歯車の歯数差の３０倍未満であることを特徴とする減速装置。
【請求項３】
前記入力軸と前記外歯歯車の中心に貫通孔が空けられており、他の減速装置用の入力軸がその貫通孔を通過可能なことを特徴とする請求項１又は２の減速装置。
【請求項４】
前記内歯歯車と前記外歯歯車の歯数差が１であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの減速装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用ロボットに取り付けられる減速装置に関する。特に、産業用ロボットの手首によく適合する減速装置に関し、入力軸に加えられる回転数を減速し、産業用ロボットの手首関節よりも先端部分を構成する部材を回転させる減速装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットの関節に取り付けられ、入力軸に加えられる回転数を減速し、その関節よりも先端部分を構成する部材を回転させる減速装置が知られている。その減速装置は、コンパクトでありながら大きく減速する必要があり、歯数を異にする外歯歯車と内歯歯車を備えており、内歯歯車と局所的に噛み合っている外歯歯車を揺動運動させると、内歯歯車と外歯歯車が相対的に回転する現象を利用する。その基本構成が、特許文献１に開示されている。特許文献１の減速装置は、自転することによって偏心カムを偏心回転させるクランク軸と、偏心カムと係合している外歯歯車を備えており、クランク軸を自転させると偏心カムが偏心回転し、外歯歯車が揺動運動する。
外歯歯車の自転を許容しない場合は、内歯歯車が出力軸を中心として自転する。逆に、内歯歯車の自転を許容しない場合は、外歯歯車が出力軸を中心として公転しながら自転する。内歯歯車または外歯歯車の自転を出力軸に伝達することによって、入力軸に加えられた自転数を減速して出力軸に伝えることができる。
【０００３】
産業用ロボットは複数の関節を有しており、関節毎に減速装置を利用することが多い。関節に減速装置を取り付けた産業用ロボットが特許文献２に開示されている。特許文献２の産業用ロボットは、ロボットアームの手首部分に３つの関節を有するものであり、手首部分に３つの減速装置が組み込まれている。
【０００４】
図４に、産業用ロボット３０の概略図を示している。産業用ロボット３０は、第１関節３１と、第２関節３２と、第３関節３３と、第４関節３４と、第５関節３５と、第６関節３６を有している。即ち、６軸の回転運動を組み合わせて動作する。
第１関節３１は設置面に固定されており、中心軸ＣＬ１の周りを自転可能であり、第２関節３２は中心軸３８の周りを自転可能であり、第３関節３３は中心軸４０の周りを自転可能であり、第４関節３４は中心軸ＣＬ２の周りを自転可能であり、第５関節３５は中心軸４２の周りを自転可能であり、第６関節３６は中心軸ＣＬ３の周りを自転可能であり、その先端に図示しないロボットハンドを固定して、ワーク（被加工物）を加工したり運搬したりする。
それぞれの関節には減速装置が組み込まれている。第１関節３１と、第２関節３２と、第３関節３３は、産業用ロボット３０の基本３軸と呼ばれている。第４関節３４と、第５関節３５と、第６関節３６は、産業用ロボット３０の手首３軸と呼ばれており、ロボットの基部アーム５２の先端部分を形成している。第４関節３４は、肩部４４に取り付けられているモータ４６の回転数を減速して第４関節３４よりも先端側の部材を中心軸ＣＬ２の周りに自転させる減速機構を備えている。第５関節３５は、肩部４４に取り付けられているモータ４８の回転数を減速して第５関節３５よりも先端側の部材を中心軸４２の周りに自転させる減速機構を備えている。第６関節３６は、肩部４４に取り付けられているモータ５０の回転数を減速して第６関節３６よりも先端側の部材を中心軸ＣＬ３に周りに自転させる減速機構を備えている。
【０００５】
図５に、産業用ロボット３０の手首３軸部分のトルク伝達回路図を示す。
モータ４６のトルクは、平歯車１４ａを介して中空のシャフト軸１４に伝達される。中空のシャフト軸１４は、ロボットの基部アーム５２内を通っており、第４関節３４の減速装置にトルクを伝達し、第４関節３４よりも先端側の部材を矢印４１の方向に回転させる。
モータ４８のトルクは、歯車１５ａを介して中空のシャフト軸１５に伝達される。中空のシャフト軸１５は、中空のシャフト軸１４の内部を通っており、歯車１５ｂにトルクを伝達する。歯車１５ｂは歯車１５ｃと直交して噛み合っており、歯車１５ｂと歯車１５ｃの間で回転の方向が９０度変換される。歯車１５ｃに伝達されたトルクは、第５関節３５の減速装置に伝達し、第５関節３５よりも先端側の部材を矢印４３の方向に回転させる。
図示しないモータ５０のトルクは、歯車１７ａを介してシャフト軸１７に伝達される。シャフト軸１７は、中空のシャフト軸１５の内部を通っており、歯車１７ｂにトルクを伝達する。歯車１７ｂは歯車１７ｃと直交して噛み合っており、歯車１７ｃに伝達されたトルクは、歯車１７ｃに固定されている平歯車１７ｄによって、平歯車１７ｅに伝達される。歯車１７ｂから歯車１７ｃにトルクが伝達されるときに回転の方向が９０度変換される。歯車１７ｅに伝達されたトルクは、歯車１７ｅに固定されているとともに歯車１７ｇと直交して噛み合っている歯車１７ｆに伝達される。歯車１７ｆから歯車１７ｇにトルクが伝達されるときに回転の方向が９０度変換されて、モータ５０の回転方向と同方向になる。歯車１７ｇに伝達されたトルクは、第６関節３６の減速装置に伝達し、第６関節３６よりも先端側の部材を矢印４５の方向に回転させる。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−２１８０８７号公報
【特許文献２】特開昭６３−１８５５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
産業用ロボットに求められる要求は厳しくなってきている。産業用ロボットによって移動させるワーク等の重量が重くなっており、出力軸に伝達するトルクＴの増大が求められている。また、産業用ロボットの稼働率が高くなったりしている。ここでいう稼動率は、ロボットが負荷を負った状態で仕事する時間をロボットが稼動している時間で除した割合をいう。産業用ロボットでは、負荷を負った状態で仕事をしている時間が長くなり、無負荷で休止している時間が短くなってきている。その一方において、アームには小径化して軽量化することが要請されている。
それに対応して、ロボットの関節に取り付けて用いる減速装置にも、小型で高負荷を伝達でき、高稼働率で使用しても高い耐久性（長い寿命）を有することが要求されている。
【０００８】
本発明者の研究によって、減速装置の温度が減速装置の耐久性に敏感に影響することがわかってきた。減速装置の出力軸に高いトルクを伝達する状態で減速装置を高稼働率で使用すると、減速装置は発熱する。減速装置が発熱すると、減速装置に充填されている潤滑剤（オイルやグリース等）が加熱される。潤滑剤は温度が上がるとアレニウス（Arrhenius）の式に従い、潤滑性能が対数的に低下する性質を備えており、減速装置の温度が減速装置の耐久性に敏感に影響する。減速装置の出力軸に高いトルクを伝達する状態で減速装置を高稼働率で使用すると、潤滑剤が過熱されてしまい、減速装置の耐久性が急激に減少してしまう。産業用ロボットの出力軸に要求されるトルクが増大しており、産業用ロボットの稼働率が高くなっている現在、減速装置の発熱が深刻な問題となっており、減速装置の耐久性の低下が深刻な問題となっている。
【０００９】
内歯歯車の内径Ｄが１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達されるトルクＴが６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍである場合や、内歯歯車の内径Ｄが１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達されるトルクＴが２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍである場合、従来の減速装置では潤滑剤の温度が上がってしまい、高負荷を伝達する状態で、高稼働率で使用すると、減速装置の耐久性が大きく低下してしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
減速装置の発熱を抑えて耐久性の低下に対処するためには、減速装置の放熱性能を増大することが有効である。しかしながら、減速装置の放熱性能を増大させようとすると、減速装置が大型化してしまう。前記したように、ロボットアームには小径化して軽量化することが要請されており、その関節に取り付ける減速装置にも一層の小型化が要求されている。減速装置の放熱性能を向上させることによって耐久性の低下に対処することは困難である。
【００１１】
そこで、減速装置の発熱自体を抑制することが重要となっている。ロボットの関節部分に組み込む減速装置は、減速装置と入力軸を接続するために、歯車対を利用している。この歯車対によって第１減速機構を実現し、その後に大きく減速する第２減速機構と組み合わせて用いることが多い。揺動運動する外歯歯車とそれに局所的に噛み合う内歯歯車を利用する減速機構は、第２減速機構となる。以下では、第１減速機構と第２減速機構を組み合わせた全体を減速装置という。
【００１２】
揺動運動する外歯歯車とそれに局所的に噛み合う内歯歯車を利用する減速機構は、コンパクトでありながら大きく減速することができる。そこで、従来の減速装置は、第２減速機構を主体にして設計されている。一対の歯車から構成される第１減速機構の減速比は比較的に簡単に調整できることから、許容サイズや伝達トルクの大きさの点から対応可能な第２減速機構の減速比と、減速装置に必要とされる総減速比から、第１減速機構の減速比を結果的に決定している。
【００１３】
本発明者らの研究によって、上記設計思想に問題があることがわかってきた。例えば、１０００ｒｐｍの入力軸の回転数を減速して１０ｒｐｍに減速する場合を考える。この場合、総減速比が１００である減速装置が必要とされる。
総減速比が１００である減速装置を構成する場合、第１減速機構の減速比を２．５として第２減速機構の減速比を４０とすることもできれば、第１減速機構の減速比を３．３として第２減速機構の減速比を３０とすることもできれば、第１減速機構の減速比を４として第２減速機構の減速比を２５とすることもできる。常識的に見て、いかなる組み合わせであっても、総減速比が１００である限り、減速装置の総発熱量も同じであると予想される。従来の技術では、総発熱量に与える影響を加味しないで、第１減速機構の減速比と第２減速機構の減速比の組み合わせを決定していた。実際には第２減速機構の方が複雑で精密な構造が必要とされることから、何種類かの第２減速機構を用意しておき、第２減速機構についてはその中から選択して使用する一方、第１減速機構を構成する歯車対の歯数比を調整することによって、減速装置に必要な総減速比を実現していた。この際に、第１減速機構の減速比と第２減速機構の減速比の組み合わせによって、減速装置の発熱量が相違してくるという認識は全くなかった。
【００１４】
しかしながら、本発明者らの研究によって、同じ総減速比であっても、第１減速機構の減速比と第２減速機構の減速比の組み合わせによって、減速装置の総発熱量が変化することを見出した。条件によっては、第１減速機構の減速比を減少して第２減速機構の減速比を増加した方が総発熱量が小さくなることもあれば、逆に、第１減速機構の減速比を増大して第２減速機構の減速比を減少した方が総発熱量が小さくなることもあることがわかってきた。この知見が得られたことによって、減速装置の発熱量を抑える新たな設計手法が判明した。
【００１５】
従来の設計手法では、コンパクトでありながら大きく減速することができる第２減速機構を中心に設計しており、その特徴を生かすために、減速比が４０の第２減速機構、減速比が５２の第２減速機構、減速比が６０の第２減速機構等を用意していた。減速比を４０未満にすると、第１減速機構の減速比を大きくせざるをえず、それではコンパクトでありながら大きく減速することができる第２減速機構の利点を生かせないことから、第２減速機構の減速比は、内歯歯車の内径Ｄが１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達されるトルクＴが６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍである場合は、最低でも４０であった。
また、内歯歯車の内径Ｄが１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達されるトルクＴが２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍである場合は、第２減速機構の減速比は最低でも３０であった。
【００１６】
本発明者らの研究によって、内歯歯車の内径Ｄが１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達されるトルクＴが６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍである場合、減速装置の総発熱量の面から見ると、第２減速機構の減速比が４０以上というのは最適設計でなく、４０未満に抑える（その分は第１減速機構の減速比を上げることになる）ことによって、減速装置の総発熱量を抑制できることを確認した。
図６に示すグラフは、減速装置の温度上昇値（縦軸）と、減速装置の出力軸の回転数（横軸）の関係を示している。図中の数字は、内歯歯車の歯数を示し、第２減速機構の減速比に等しい。第２減速機構の減速比に反比例するように第１減速機構の減速比が調整されており、いずれのカーブでも、減速装置の総減速比は等しい。また、いずれのカーブでも、出力軸に伝達されるトルクは６９０Ｎ・ｍであり、第２減速置機構のサイズは同じである。いずれのカーブでも、入力軸に入力されるトルクと回転数は等しく、出力軸に伝達されるトルクと回転数は等しい。即ち、いずれのカーブでも、減速装置が行う仕事量は同じである。
【００１７】
曲線Ｃ５２は、第２減速機構の減速比が５２の場合の、減速装置の出力回転数と減速装置の温度上昇値の関係を示し、曲線Ｃ４０は、第２減速機構の減速比が４０の場合の出力回転数と温度上昇値の関係を示し、曲線Ｃ２８は、第２減速機構の減速比が２８の場合の出力回転数と温度上昇値の関係を示している。図６の温度上昇値は、設定した出力回転数で減速装置を継続運転したときに、温度変化がなくなった状態での温度と減速装置を継続運転する前の温度差を示している。
図６から明らかなように、出力回転数を高くすると減速装置の温度上昇値が大きくなることが分かる。これは減速装置の仕事量が増えると、それに対応して減速装置の温度上昇値が高くなることを示している。
減速装置の仕事量と発熱量が対応するのであれば、曲線Ｃ５２と曲線Ｃ４０と曲線Ｃ２８は一致するはずである。減速装置の総減速比が同じであり、同じ仕事量であるからである。ところが実際には一致しない。明らかに、第２減速機構の減速比が高い方が（Ｃ５２参照）、その分第１減速機構の減速比が小さいにも係らず、総発熱量が大きいのに対し、第２減速機構の減速比が低い方が（Ｃ２８参照）、その分第１減速機構の減速比が大きいにも係らず、総発熱量が小さいことがわかる。
しかもその差は、出力回転数が高いほど増大することがわかる。出力回転数が低い間は顕著でなかった差が、出力回転数が高くなると顕著になる。
【００１８】
図７に示すグラフは、横軸に減速装置の運転時間を示し、縦軸に減速装置から発生する鉄粉量を示している。鉄粉量は減速装置に充填されている潤滑剤に混入する鉄粉量を測定したものであり、減速装置に生じる磨耗量に対応している。
図７に示す曲線７０は、潤滑剤の温度が低く維持された状態で運転を継続した場合を示し、運転開始時には、運転時間に比例して磨耗量が増大するものの、その後は磨耗ペースが低い安定期７２を迎え、寿命の直前になるまで低い磨耗ペースで運転を継続できることを示している。
一方、曲線６８は、潤滑剤の温度が高い状態で運転を継続した場合を示し、運転開始時の高い磨耗ペースで磨耗が進行し、安定期７２を得ることができない。
【００１９】
また、本発明者らの研究によって、内歯歯車の内径Ｄが小さく、出力トルクＴが小さい場合については別の減速比範囲が存在することを見出した。即ち、内歯歯車の内径Ｄが１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達されるトルクＴが２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍである場合、第２減速機構の減速比を３０未満に抑える（その分は第１減速機構の減速比を上げることになる）ことによって、減速装置の耐久性の低下を抑制できることを確認した。
【００２０】
本発明者らの研究によって、内歯歯車の内径Ｄが１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達されるトルクＴが６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍである場合、第２減速機構の減速比を４０未満に抑え、内歯歯車の内径Ｄが１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達されるトルクＴが２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍである場合、第２減速機構の減速比を３０未満に抑える（その分は第１減速機構の減速比を上げることになる）ことによって、減速装置の総発熱量を抑制でき、耐久性の低下が避けられることが判明した。
【００２１】
本発明の減速装置は、上記の知見に立脚して創作された減速装置であり、産業用ロボットの関節に取り付けられて用いられる。本発明の減速装置は、第１減速機構と第２減速機構を有している。
第１減速機構は、入力軸と一体に自転する第１平歯車と、第１平歯車に噛み合っている第２平歯車を備えている。
第２減速機構は、第２平歯車と一体に自転するとともにその自転にともなって偏心カムを偏心回転させるクランク軸と、偏心カムと係合して揺動運動をする外歯歯車と、外歯歯車の揺動運動を許容しつつ外歯歯車と局所的に噛み合った状態で外歯歯車を内包するとともに外歯歯車の歯数と異なる歯数を有する内歯歯車を備えている。
本発明の減速装置は、内歯歯車がロボットアームの基部側部材に自転不能に拘束され、外歯歯車が自転するとそれに追従して自転するキャリアがロボットアームの先端側部材に自転不能に拘束されて用いられる。あるいは、外歯歯車がロボットアームの基部側部材に自転不能に拘束され、内歯歯車がロボットアームの先端側部材に自転不能に拘束されて用いられる。
産業用ロボットの手首に取り付ける減速装置にはコンパクト化が要求されており、本発明の減速装置では、内歯歯車の内径Ｄが１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍの関係を満たしており、さらにロボットアームの先端側部材に伝達するトルクＴが６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍの場合、内歯歯車の歯数Ｎが、内歯歯車と外歯歯車の歯数差の４０倍未満に設定されている。第２減速機構の減速比は、内歯歯車の歯数Ｎを内歯歯車と外歯歯車の歯数差で除したものであり、内歯歯車の歯数Ｎが、内歯歯車と外歯歯車の歯数差の４０倍未満に設定されていれば、第２減速機構の減速比は４０未満に抑えられる。
【００２２】
内歯歯車の内径Ｄが１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達するトルクＴが６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍの範囲である場合、従来のように第２減速機構の減速比を４０以上とすると、図６で説明したように総発熱量が増大し、図７で説明した安定期７２を得ることができない。しかしながら、第２減速機構の減速比を４０未満とすると、それを補償するように第１減速機構の減速比を増大させても、総発熱量を抑制し、図７で説明した安定期７２を得ることができる。
本発明によると、重い物体を高速で移動させることが求められているために、出力軸を高速度で回転させるとともに出力軸に高トルクを伝達する必要のある減速装置の総発熱量を抑えることができ、潤滑剤の過熱を防止して磨耗ペースが低い安定期を得ることができることから、出力軸を高トルクで高速回転させる減速装置の耐久性の低下を防止することができる。
【００２３】
本発明の他の１つの減速装置は、小型の減速装置、即ち、内歯歯車の内径Ｄが１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍの関係を満たしており、さらにロボットアームの先端側部材に伝達するトルクＴが２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍの場合、内歯歯車の歯数Ｎが、内歯歯車と外歯歯車の歯数差の３０倍未満に設定されている。
【００２４】
内歯歯車の内径Ｄが１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達するトルクＴが２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍの範囲である場合、従来のように第２減速機構の減速比を３０以上とすると、図６で説明したことと同じ作用効果により総発熱量が増大してしまう。しかしながら、第２減速機構の減速比を３０未満とすると、それを補償するように第１減速機構の減速比を増大させても、総発熱量を抑制することができる。
【００２５】
上記の減速装置では、入力軸と外歯歯車の中心に貫通孔が空けられており、他の減速装置用の入力軸がその貫通孔を通過可能なことが好ましい。
減速装置が貫通孔を有すると、図５に示した第４関節３４に取り付けることができる。その貫通孔を、図５の入力軸１５，１７等が通過できるために、第５関節、第６関節のための減速装置にトルクを入力することができる。
入力軸が貫通孔を有する場合、入力軸に固定されている第１平歯車の径が大きくなりがちである。直径が限られている減速装置の場合、第１平歯車の径が大きくなれば、それに噛み合っている第２平歯車の径は小さくならざるを得ない。この結果、第１減速機構の減速比を大きくとりづらいという事情が存在する。入力軸が貫通孔を有する場合は、第２減速機構の減速比を上げ、第１減速機構の減速比を下げて用いるのが普通である。
内歯歯車の内径Ｄが１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達するトルクＴが６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍの範囲である場合、第２減速機構の減速比を４０未満に抑えたり、内歯歯車の内径Ｄが１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍであり、ロボットアームの先端側部材に伝達するトルクＴが２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍの範囲である場合、第２減速機構の減速比を３０未満に抑えたりすることはひどく非常識である。本発明は、非常識に挑戦したものであり、斬新なものである。
【００２６】
内歯歯車と外歯歯車の歯数差は１であってもよいし、２であってもよいし、３以上であってもよい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の減速装置によると、第１減速機構と第２減速機構の機能分担を最適化することによって、重い物体を高速で移動させることが求められている産業用ロボットのための減速装置の耐久性の低下を抑制することができる。
即ち、第１減速機構と第２減速機構の減速比の配分を最適化することによって、減速装置の総発熱量を抑えることができ、潤滑剤の過熱を防止して磨耗ペースが低い安定期を得ることができることから、出力軸を高トルクで高速回転させる減速装置の耐久性の低下を抑制することができる。
産業用ロボットの手首に用いるコンパクトな減速装置であり、ロボットアームの先端を高速度に回転させるとともにロボットアームの先端に高トルクを伝達する減速装置の耐久性の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
各実施例の主要な形態を以下に示す。
（第１実施形態）減速装置の総減速比が４０〜２００の範囲において、第１減速機構に入力される回転数が２０００ｒｐｍ以上であり、第２減速機構から出力される回転数が１５〜６０ｒｐｍである減速装置。その減速装置の第２減速機構の減速比を、内歯歯車の内径Ｄが１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍであり、第２減速機構から出力されるトルクＴが６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍであり、第２減速機構の減速比を４０未満とする。
（第２実施形態）減速装置の総減速比が３０〜１８０の範囲において、第１減速機構に入力される回転数が２０００ｒｐｍ以上であり、第２減速機構から出力される回転数が１５〜６０ｒｐｍである減速装置。その減速装置の第２減速機構の減速比を、内歯歯車の内径Ｄが１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍであり、第２減速機構から出力されるトルクＴが２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍであり、第２減速機構の減速比を３０未満とする。
【実施例】
【００３１】
（第１実施例）
図１は、本実施例の減速装置１０の要部断面図を示している。減速装置１０は、主に、図４の産業用ロボット３０の第４関節３４に取り付けることを意図して設計されている。ただし、減速装置１０を第５関節３５に取り付ける場合もあり、第６関節３６に取り付ける場合もある。
減速装置１０は、図４のモータ４６によって回転するシャフト軸（入力軸）１４の回転数を減速し、先端アーム５４を回転させるものであり、第１減速機構と第２減速機構を備えている。
第１減速機構は、シャフト軸１４の先端に形成されている平歯車１９と、それに噛み合う平歯車１２ａ，１２ｃ，１２ｅ（図３も参照）を備えている。本実施例では、平歯車１９を可能な限り小径化して歯数を少なくする一方、平歯車１２ａ，１２ｃ，１２ｅについては可能な限り大径化して歯数を多くしている。これによって第１減速機構で大きな減速比を実現している。シャフト軸１４の内側を他のシャフト軸（入力軸）１５,１７が通過しているために、従来は平歯車１９がもっと大径であり、平歯車１２ａ，１２ｃ，１２ｅはもっと小径であった。本実施例では、シャフト軸１４の薄肉化等を促進することによって、第１減速機構で大きな減速比を実現している。
第２減速機構は、平歯車１２ａ，１２ｃ，１２ｅと一体に自転するクランク軸６ａ，６ｃ，６ｅと、外歯歯車４ａ，４ｂ（図１も参照）と、内歯歯車２と、クランク軸６ａ，６ｃ，６ｅをシャフト軸１４の周りに公転可能に支持しているキャリア８，８ａを備えている。
内歯歯車２はボルト１８によって基部アーム５２に取り付けられ、先端アーム５４はボルト２０によってキャリア８に取り付けられている。
【００３２】
図３は、図１のIII―III線に沿った要部端面を示している。内歯歯車２の内部にクランク軸６ａ，６ｃ，６ｅが備えられ、クランク軸６ａには平歯車１２ａが固定され、クランク軸６ｃには平歯車１２ｃが固定され、クランク軸６ｅには平歯車１２ｅが固定されている。平歯車１２ａ，１２ｃ，１２ｅはそれぞれシャフト軸１４の先端に形成されている平歯車１９と噛み合っている。シャフト軸１４は中空構造であり、シャフト軸の中心に穴６１が形成されている。穴６１の内部を、シャフト軸１５とシャフト軸１７が通過している。
【００３３】
クランク軸６ａ，６ｃ，６ｅは、基本的に同一構造を備えている。そこで、クランク軸６ａについて説明する。図１に示すように、クランク軸６ａは、一対の円錐ころ軸受９ａ，９ｂによって、キャリア８，８ａに対して中心軸６ｘ（図２参照）の周りに自転可能で軸方向に移動不能に支持されている。一対の円錐ころ軸受９ａ，９ｂによってキャリア８，８ａからクランク軸６ａに軸方向の圧縮力がかけられており、クランク軸６ａはキャリア８，８ａに対して軸方向に固定されている。
クランク軸６ａに平歯車１２ａが固定されている。平歯車１２ａは、シャフト軸１４と噛み合っている。シャフト軸１４の外面に平歯車１２ａと噛み合うための平歯車１９が形成されている。平歯車１２ａと平歯車１９が噛み合っても、クランク軸６ａとシャフト軸１４の間には軸方向の力は発生しない。
【００３４】
図２は、図１のII―II線に沿った断面を示している。図２と図３は、見る方向が反対である。クランク軸６ａは、キャリア８，８ａに対してクランク軸の中心軸６ｘの周りに自転可能で支持されている。図示７ａはクランク軸６ａに形成されている偏心カムを示している。偏心カム７ａの外形は円形であり、その中心７ｘはクランク軸６ａの自転の中心軸６ｘから図２の下方向に偏心している。偏心カム７ａは、ニードル軸受６４ａを介して外歯歯車４ａの穴２２ａに係合している。クランク軸６ａが中心軸６ｘの周りに自転すると、偏心カム７ａの中心７ｘは、矢印６３に示すようにクランク軸の中心軸６ｘの周りに公転する。偏心カム７ａの中心７ｘが矢印６３のように公転すると、外歯歯車４ａは、矢印２８に示すように揺動運動する。
図示６ｃ，６ｅはクランク軸であり、その作用効果はクランク軸６ａと同様である。また図示７ｃ，７ｅは偏心カムであり、その作用効果は偏心カム７ａと同様である。よってクランク軸６ｃ，６ｅと、偏心カム７ｃ，７ｅの説明は省略する。
【００３５】
キャリア８とキャリア８ａはボルト２１で固定されており、一対のアンギュラ軸受１６ａ，１６ｂによって、内歯歯車２に対して自転可能に支持されている。内歯歯車２の内部に外歯歯車４ａ，４ｂが収容されており、外歯歯車４ａ，４ｂは、クランク軸６ａに直交した状態で重なりあっている。
図２に示すように、外歯歯車４ａには、周方向に合計６個の穴２２ａ〜２２ｆが形成されており、中央部分に穴２２ｇが形成されている。穴２２ｇの内側をシャフト軸１５とシャフト軸１７が通過している。
キャリア８は、穴２２ｂ，穴２２ｄ，穴２２ｆ内に伸びる柱部材２４ｂ，柱部材２４ｄ，柱部材２４ｆを形成している。よって、外歯歯車４ａはキャリア８に対して自転不能であり、外歯歯車４ａが自転するとキャリア８も自転する。
【００３６】
外歯歯車４ａは３７個の歯を有しており、内歯歯車２は３８個の歯を有している。即ち、外歯歯車４ａの歯数は内歯歯車２の歯数よりも１つ少ない。外歯歯車４ａは、外歯歯車４ａの周方向の一部の外歯と、内歯歯車２の周方向の一部の内歯ピン２６が、局所的に噛み合った状態で、矢印２８に示すように中心軸６２の周りに公転することができる。外歯歯車４ａは中心軸６２の周りに公転しつつ揺動運動をするということもできる。内歯ピン２６は内歯歯車２に固定されておらず、内歯歯車２に形成された溝２ａ内に設置されており、内歯ピン２６の中心２６ｘの周りに自転することが可能である。このことは３８本の内歯ピン２６全てに共通である。
外歯歯車４ａの穴２２ｂと、柱部材２４ｂの間には、外歯歯車４ａの公転２８を許容する空間が確保されている。内歯歯車２の自転が禁止された状態で外歯歯車４ａが公転すると、内歯歯車２の歯数よりも外歯歯車４ａの歯数が少ないので、外歯歯車４ａは公転しつつ自転する。この場合、柱部材２４ｂ，２４ｄ，２４ｆも外歯歯車４ａの自転に追従して自転する。外歯歯車４ａの歯数と内歯歯車２の歯数の差は１であり、内歯歯車２の歯数が３８個のため、外歯歯車４ａが１回公転すると外歯歯車は１／３８回自転する。また、内歯歯車２の内径は図中にＤで示しており、１４０ｍｍ〜２００ｍｍまで選択できる。
【００３７】
上記の説明は、外歯歯車４ｂに対しても共通である。ただし、偏心方向が反対である。図２の状態において、外歯歯車４ｂのための偏心カム７ｂの中心はクランク軸６ａの自転中心軸６ｘから図上方向に偏心している。外歯歯車４ａのための偏心カム７ａの中心７ｘと外歯歯車４ｂのための偏心カム７ｂの中心は、いつもクランク軸６ａの自転の中心軸６ｘを挟んだ対称の位置にある。即ち、図２において、外歯歯車４ａが左方向に偏心すれば外歯歯車４ｂは右方向に偏心し、外歯歯車４ａが上方向に偏心すれば外歯歯車４ｂは下方向に偏心し、外歯歯車４ａが右方向に偏心すれば外歯歯車４ｂは左方向に偏心し、外歯歯車４ａが下方向に偏心すれば外歯歯車４ｂは上方向に偏心する。即ち、外歯歯車４ａと外歯歯車４ｂとクランク軸６ａの全体を観察すると、クランク軸６ａの自転の中心軸６ｘに対して左右対称となっており、回転バランスが確保される関係が実現されている。
【００３８】
本実施例の減速装置１０の動作を説明する。この減速装置は、モータ４６のトルクがシャフト軸１４と平歯車１９を介して平歯車１２ａ，１２ｃ，１２ｅに伝達される。図３に示すように、シャフト軸１４が中心軸６２の周りに矢印６５の方向に自転すると、平歯車１２ａはクランク軸６ａの中心軸６ｘの周りに矢印６６の方向に自転する。平歯車１２ｃ，１２ｅも平歯車１２ａと同じ方向の自転をする。このときシャフト軸１４の平歯車１９と平歯車１２ａ，１２ｃ，１２ｅの歯数差によって、第１の減速が行われる。第１減速機構に入力される自転速度をＲ１とすると、平歯車１２ａ，１２ｃ，１２ｅの自転速度Ｒ２は次式で表される。
Ｒ２＝Ｒ１×Ｚ１／Ｚ２                                （１）
上記において、Ｚ１はシャフト軸１４の平歯車１９の歯数、Ｚ２は平歯車１２ａ，１２ｃ，１２ｅの歯数を示している。
【００３９】
平歯車１２ａ，１２ｃ，１２ｅに伝達された回転は、クランク軸６ａ、６ｃ，６ｅに伝達される。クランク軸６ａは中心軸６ｘの周りに自転して、偏心カム７ａ，７ｂを中心軸６ｘの周りに公転させる。クランク軸６ｃ，６ｅも同様の動作を行う。その結果、外歯歯車４ａ，４ｂは矢印２８の方向に公転する。外歯歯車４ａ，４ｂは内歯歯車２に局所的に噛み合った状態で内歯歯車２の内側で揺動運動をする。内歯歯車２はボルト１８によって自転が禁止されているため、外歯歯車４ａ，４ｂが、内歯歯車２に局所的に噛み合った状態で揺動運動をすると、外歯歯車４ａ，４ｂと内歯歯車の歯数が相違するため、外歯歯車４ａ，４ｂが自転する。即ち、外歯歯車４ａ，４ｂは公転しつつ自転する。その結果、柱部材２４ｂ，２４ｄ，２４ｆは中心軸６２の周りに公転する。
外歯歯車４ａ，４ｂは中心軸６２を中心に対称位置を維持する関係で公転する。クランク軸６ａ．６ｃ．６ｅと外歯歯車４ａ，４ｂは、回転バランスが確保された状態で円滑に回転する。
外歯歯車４ａ，４ｂの自転速度Ｒ４は次式で表される。
Ｒ４＝（Ｒ３×（Ｚ３−Ｚ４）／Ｚ３）＋１                        （２）
上記において、Ｒ３はクランク軸６ａ、６ｃ，６ｅの自転速度、Ｚ３は内歯歯車２の歯数、Ｚ４は外歯歯車５４ａ，５４ｂの歯数を示している。
クランク軸６ａと平歯車１２ａは固定されており、クランク軸６ｃと平歯車１２ｃは固定されており、クランク軸６ｅと平歯車１２ｅは固定されているため、クランク軸６ａ，６ｃ，６ｅと平歯車１２ａ，１２ｃ，１２ｅは同じ速度で自転するため次式が成立する。
Ｒ２＝Ｒ３                                                      （３）
上式、（１）、（２）、（３）より次式が成立する。
Ｒ４=（Ｒ１×Ｚ１×（Ｚ３−Ｚ４）／（Ｚ２×Ｚ３））＋１          （４）
本実施例では、内歯歯車２の歯数が３８であり、外歯歯車４ａ，４ｂの歯数が３７であるため、次式が成立する。
Ｒ４＝（Ｒ１×Ｚ１×１／（Ｚ２×３８））＋１                      （５）
本実施例の減速装置１０は、モータ４６の回転速度Ｒ１を（５）式で表される回転速度Ｒ４に変換することができる。
（５）式を変換すると、Ｒ４＝Ｒ１×（Ｚ１／Ｚ２）×（１／３８）＋１    （６）となる。ここで、Ｚ１／Ｚ２は第１減速機構の減速比を表し、１／３８は第２減速機構の減速比を表している。
【００４０】
本実施例の減速装置１０を用いて、減速装置１０の運転時間と減速装置１０から発生する鉄粉量について実験した。実験は、減速装置１０の出力トルクを１２２５Ｎ・ｍとして、内歯歯車２の内径Ｄを１７９ｍｍで実施した。実験の結果、図７に示す曲線７０の結果が得られた。曲線７０は、運転開始時には運転時間に比例して鉄粉発生量が増大するものの、その後は鉄粉量の増加パースが低い安定期７２を有している。減速装置１０を長期間運転しても減速装置１０の磨耗がほとんど進行しない安定期が存在することを示している。即ち、減速装置１０は高トルクで運転しても、低い磨耗ペースで運転を継続できる安定期が得られ。耐久性の低下が避けられることを示している。
曲線６８は、減速装置１０の出力トルクを１２２５Ｎ・ｍとして、内歯歯車２の内径Ｄを１７９ｍｍとする場合、Ｎ≧４０にすることで得られる。曲線６８には安定期が存在しないため、減速装置の運転時間と、減速装置の磨耗が比例関係にある。
【００４１】
本発明者の研究によって、出力トルクと内歯歯車の内径を変化させると、減速装置の発熱量を抑えることができ、減速装置の耐久性の低下を抑制できることを確認した。
内歯歯車と外歯歯車の歯数差が１の場合、内歯歯車の内径をＤとし、減速装置の出力トルクをＴとし、内歯歯車の歯数をＮとすると、１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍであり、６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍである場合、Ｎ＜４０にすることによって減速装置１０の発熱量を抑えることができ、減速装置１０の耐久性の低下を抑制することができる。
曲線６８は、１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍであり、６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍである場合、Ｎ≧４０にすることで得られる。曲線６８には安定期が存在しないため、減速装置の運転時間と、減速装置の磨耗が比例関係にある。
【００４２】
本発明の減速装置１０は、１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍであり、６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍである場合、Ｎ＜４０にすることによって、減速装置１０の耐久性が向上することが判明した。一方、１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍであり、２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍの場合、即ち、内歯歯車２の内径Ｄが小さく、出力トルクが小さい場合は、Ｎ＜３０にすることによって、減速装置１０の耐久性が向上することが判明した。
減速装置１０の大きさは、内歯歯車２の内径Ｄに比例して決定することが一般的であるため、１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍ、２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍである場合、３０≦Ｎとすると、減速装置１０を運転したときの減速装置１０の温度上昇値をより抑制する必要がある。内歯歯車２の内径Ｄが１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍの場合は、温度上昇値が高くなっても、減速装置１０が停止している間に放熱する面積が大きいが、Ｄ＜１４０ｍｍの場合は、減速装置１０が停止している間に放熱する面積が小さいため、減速装置１０がなかなか冷却されず、減速装置１０は常に高い温度に保たれることになる。減速装置１０の温度上昇値が高くなりすぎると、減速装置１０の内部の潤滑剤が加熱されて潤滑性能が低下することがある。そのため、小型の減速装置１０、即ち１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍであり、２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０Ｎ・ｍの場合、Ｎ＜３０とすると、減速装置１０を連続動作されたときの温度上昇が３０≦Ｎの場合よりも抑制される。よって減速装置１０を連続動作しても温度上昇を許容範囲内に抑えることができ、減速装置１０の耐久性の低下を抑制することができる。
【００４３】
（第２実施例）
図８は、第２実施例の減速装置１１０の要部断面図を示している。ここでは第１実施例と相違する部分のみを説明する。第１実施例と同様な部材には同じ参照番号を付することによって、重複説明を省略する。
減速装置１１０は、産業用ロボット１３０の第４関節に取り付けることを意図して設計されており、モータ１４６によって回転するシャフト軸１１４の回転数を減速し、先端アーム１５４を回転させる。
モータ１４６は、基部アーム１５２の固定部１５２ａにボルト９７で固定されている。
第１減速機構は、シャフト１１４軸の先端に形成されている平歯車１１９と、平歯車１１９に噛み合う平歯車１１２ａ，１１２ｃ，１１２ｅ（１１２ａのみ図示している。）を備えている。
第２減速機構のキャリア８は、ボルト２０によって平歯車９２に固定されている。
内歯歯車２の一部は基部アーム１５２の固定部１５２ａにボルト１１８で固定されており、先端アーム１５４は軸受９０によって基部アーム１５２に自転可能に支持されているとともに、平歯車９２と噛み合っている平歯車９４にボルト９６で固定されている。
【００４４】
減速装置１１０は、モータ１４６と平歯車１１２ａを連結するシャフト軸１１４の長さが短い。よって装置を簡略化することができる。また、減速装置１１０の出力軸となるキャリア８と先端アーム１５４の間に、平歯車９２と平歯車９４を有している。よって、平歯車９２と平歯車９４の歯数を調整することによって、第２減速機構からの回転数をさらに減速することが可能となり、第１減速機構と第２減速機構の減速比の調整幅が広がるメリットがある。
【００４５】
上記実施例では、内歯歯車と外歯歯車の歯数の差が１の場合を説明した。しかしながら内歯歯車と外歯歯車の歯数の差は必ずしも１である必要はない。
例えば、内歯歯車と外歯歯車の歯数の差が２の場合、外歯歯車が１回公転すると外歯歯車は２／（内歯歯車の歯数）回自転する。
歯数差が２の減速装置と歯数差が１の減速装置の減速比を同じにするためには、歯数の差が２の減速装置の内歯歯車の歯数を、歯数の差１の減速装置の内歯歯車の歯数の２倍にすればよい。即ち、歯数差が２の場合、内歯歯車の内径をＤとし、減速装置の出力トルクをＴとし、内歯歯車の歯数をＮとすると、
１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍ、６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍの場合、Ｎ＜８０とすると減速装置の耐久性の低下を抑制することができ、
１４０ｍｍ≦Ｄ≦２００ｍｍ、６５０Ｎ・ｍ≦Ｔ≦１５７０Ｎ・ｍの場合、Ｎ≧８０とすると、高負荷を伝達し、高稼働率で使用する場合に減速装置の耐久性を大きく低下させてしまうことがある。
内歯歯車と外歯歯車の歯数差が２の場合においても、１００ｍｍ≦Ｄ＜１４０ｍｍ、２９０Ｎ・ｍ≦Ｔ＜６５０ｍｍの場合、Ｎ＜６０にすることで減速装置の耐久性の低下を抑制することができる。
内歯歯車と外歯歯車の歯数差が３以上の場合についても、上記と同様の理由が成立する。即ち、内歯歯車と外歯歯車の歯数差は１であってもよいし、２であってもよいし、３以上であってもよい。
【００４６】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。
例えば、上記実施例では、外歯歯車がトルクの出力軸となっているが、内歯歯車がトルクの出力軸でもよい。その場合は、産業用ロボットの基部アームにキャリアを固定し、先端アームに内歯歯車の一部を固定すればよい。
また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施例１の減速装置
【図２】図１のII−II線に沿った断面図
【図３】図１のIII−III線に沿った断面図
【図４】産業用ロボットの概略図
【図５】産業用ロボットの手首３軸部分の回路図
【図６】減速装置の出力回転数と温度上昇値を表すグラフ
【図７】減速装置の稼動時間と鉄粉発生量の関係を表すグラフ
【図８】実施例２の減速装置
【符号の説明】
【００４８】
２：内歯歯車
４ａ，４ｂ：外歯歯車
６ａ，６ｃ，６ｅ：クランク軸
８，８ａ：キャリア
９ａ，９ｂ：円錐ころ軸受
１０，１１０：歯車減速装置
１２ａ，１２ｃ，１２ｅ：平歯車
１４，１５，１７：シャフト軸
１６：軸受
１９：平歯車
２４：シャフト
２６：ピン
３１,３２，３３，３４，３５，３６：関節
４４：肩部
４６：モータ
４８：モータ
５０：モータ
５２：基部アーム
５４：先端アーム
【図１】
0004820310.tif 000002
【図２】
0004820310.tif 000003
【図３】
0004820310.tif 000004
【図４】
0004820310.tif 000005
【図５】
0004820310.tif 000006
【図６】
0004820310.tif 000007
【図７】
0004820310.tif 000008
【図８】
0004820310.tif 000009