(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に内歯が形成された環状の剛性内歯歯車と、この剛性内歯歯車の内側に配置され、外周面に前記内歯に噛み合い可能な外歯が形成されている可撓性外歯歯車と、この可撓性外歯歯車の内側にはめ込まれ、当該可撓性外歯歯車を半径方向に撓めることにより前記外歯を部分的に前記内歯に噛み合わせると共に、これらの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撓み噛み合い式歯車装置において、
前記波動発生器は、環状のハブと、このハブの外周に形成された剛性カム板と、この剛性カム板の外周面と前記可撓性外歯歯車の内周面の間に嵌め込まれているウエーブベアリングとを備えており、
前記ハブと前記剛性カム板のうち、少なくとも前記剛性カム板はアルミニウム合金により形成されており、
前記剛性カム板の線膨張係数は７〜１７×１０-6／℃であり、
前記ウエーブベアリングの内外輪の線膨張係数は約１２×１０-6／℃であることを特徴とする撓み噛み合い式歯車装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ハブと前記剛性カム板は、アルミニウム合金製の一体部品として形成されていることを特徴とする撓み噛み合い式歯車装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記剛性内歯歯車はアルミニウム合金製であることを特徴とする撓み噛み合い式歯車装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記剛性カム板の膨張率は前記剛性内歯歯車の膨張率よりも小さいことを特徴とする撓み噛み合い式歯車装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記剛性内歯歯車の前記内歯の歯部表面には無電解ニッケルめっき等の耐磨耗性を改善するための表面処理が施されていることを特徴とする撓み噛み合い式歯車装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記剛性内歯歯車は、アルミニウム合金製の環状部材と、この環状部材の内周面に鋳込まれて一体化された鋼製の環状部材とを備え、当該鋼製の環状部材の内周面に前記内歯が形成されていることを特徴とする撓み噛み合い式歯車装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットアームの駆動機構等における減速装置として使用するのに適した撓み噛み合い式歯車装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットアーム等の駆動機構における減速装置としては、本願人によりハーモニック・ドライブという商標名で製造販売されている撓み噛み合い式歯車装置が知られている。
【０００３】
典型的な撓み噛み合い式歯車装置は、内周面に内歯が形成された環状の剛性内歯歯車と、この剛性内歯歯車の内側に配置され、外周面に前記内歯に噛み合い可能な外歯が形成されている可撓性外歯歯車と、この可撓性外歯歯車の内側にはめ込まれ、当該可撓性外歯歯車を半径方向に撓めることにより前記外歯を部分的に前記内歯に噛み合わせると共に、これららの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構成となっている。波動発生器は、モータ回転軸等に連結される環状のハブと、このハブの外周に嵌めた楕円形輪郭のカム板と、このカム板の外周面に嵌めたウエーブベアリングとから構成されている。
【０００４】
剛性内歯歯車の内歯の歯数は可撓性外歯歯車の外歯の歯数よりも２ｎ（ｎは正の整数）だけ異なるように設定されている。通常は２枚だけ多い歯数に設定されている。剛性内歯歯車を回転しないように固定した状態で波動発生器をモータ等によって高速回転すると、楕円状に撓められて直径方向の両端の外歯および内歯の噛み合い位置が円周方向に移動する。この結果、内歯と外歯の歯数差に応じた相対回転が可撓性外歯歯車に発生するので、歯数差に応じた減速比で減速された回転出力が当該可撓性外歯歯車から得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ロボットアームの駆動機構、そのアーム関節の駆動機構等においては、駆動機構の重量を低減することにより、その可搬重量を大きくすることができる。また、駆動機構の重量を低減することにより、その制御性も改善される。
【０００６】
本発明の課題は、この点に鑑みて、ロボットアーム等の駆動機構の減速装置として用いた場合に、可搬重量の増加、制御性の改善を図る上で適した撓み噛み合い式歯車装置を提案することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内周面に内歯が形成された環状の剛性内歯歯車と、この剛性内歯歯車の内側に配置され、外周面に前記内歯に噛み合い可能な外歯が形成されている可撓性外歯歯車と、この可撓性外歯歯車の内側にはめ込まれ、当該可撓性外歯歯車を半径方向に撓めることにより前記外歯を部分的に前記内歯に噛み合わせると共に、これらの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撓み噛み合い式歯車装置において、波動発生器の構成部品である、環状のハブと、このハブの外周に形成された剛性カム板と、この剛性カム板の外周面と可撓性外歯歯車の内周面の間に嵌め込まれているウエーブベアリングのうち、ハブと剛性カム板のうちの少なくとも剛性カム板をアルミニウム合金により形成するようにしている。
【０００８】
ハブと剛性カム板の双方をアルミニウム合金製とする場合には、これらを一体部品として形成することが、組み付け剛性、組み付け精度等の点から好ましい。
【０００９】
本発明では、一般的に合金鋼からなる波動発生器の主要部品を軽量なアルミニウム合金製としている。波動発生器は、撓み噛み合い式歯車装置における重量の過半部分を占めているので、この部分をアルミニウム合金製とすることにより、当該撓み噛み合い式歯車装置の重量を大幅に低減でき、また、その慣性重量も大幅に低減できる。したがって、撓み噛み合い式歯車装置の軽量化を実現できるので、ロボットアーム等の駆動機構の減速装置として用いた場合には、その可搬重量の増加、制御性の改善等の効果を奏する。
【００１０】
また、アルミニウム合金は合金鋼に比べて放熱性に優れているので、当該撓み噛み合い式歯車装置および当該装置が連結されるモータ等の機器が過熱状態に陥ってしまうことを抑制できるという効果も奏する。
【００１１】
詳細に説明すると、撓み噛み合い式歯車装置の発熱源は波動発生器のウエーブベアリングの部分である。また、一般に、撓み噛み合い式歯車装置をモータと連結してロボットアーム等の駆動機構を構成した場合には、波動発生器のハブにモータ出力軸が連結されるので、モータ出力軸の側からも熱が波動発生器の側に伝達される。したがって、波動発生器の部分が最も加熱した高温状態になりやすい。本発明のように、最も加熱しやすい部分を放熱性のアルミニウム合金製とすることにより、放熱性に優れた撓み噛み合い式歯車装置を実現できる。
【００１２】
ここで、剛性カム板の膨張率をウエーブベアリングの内外輪の膨張率と同等の値となるようにすること望ましい。一般に、ウエーブベアリングの内外輪は鋼製であり、その線膨張係数は約１２×１０-6／℃である。したがって、剛性カム板の線膨張係数は７〜１７×１０-6／℃の範囲内の値とすることが望ましい。
【００１３】
この理由は次の通りである。剛性カム板の線膨張係数が７×１０-6／℃よりも小さい場合には、当該剛性カム板およびウエーブベアリングの内輪が加熱された場合に、内輪の方が膨張量が大きいので、剛性カム板の外周面と内輪の間が剥離するおそれがあるからである。一方、剛性カム板の線膨張係数が１７×１０-6／℃を超える値の場合には、双方の部材が加熱された時に、剛性カム板の膨張量の方が大きいので、剛性カム板によって内輪が押し広げられて、当該ウエーブベアリングのラジアル隙間が小さくなり、当該ウエーブベアリングの円滑な回転が阻害されるおそれがあるからである。
【００１４】
次に、撓み噛み合い式歯車装置の軽量化を更に図るためには、剛性内歯歯車もアルミニウム合金製とすることが望ましい。
【００１５】
この場合には、アルミニウム合金製の剛性カム板の膨張率を、当該剛性内歯歯車の膨張率よりも小さい値とすることが望ましい。前述したように、撓み噛み合い式歯車装置では、波動発生器の部分が最も加熱した高温状態になりやすい。これに対して、前記剛性内歯歯車の側は装置の外周側に位置しており、発熱源から遠く、しかも放熱性が良い。
【００１６】
波動発生器の剛性カム板の膨張率を、剛性内歯歯車の膨張率よりも小さくしておけば、双方の部材をほぼ同程度に熱変形させることができる。よって、外歯と内歯の噛み合い状態、噛み合い位置の移動を適切な状態に保持することができるのである。
【００１７】
ここで、アルミニウム合金製の剛性内歯歯車の歯面は、合金鋼からなる場合に比べて耐磨耗性の点で劣る場合が多い。この弊害を回避するためには、剛性内歯歯車の内歯の歯部表面に無電解ニッケルめっき等の表面処理を施こすことが望ましい。
【００１８】
表面処理を施す代わりに、前記剛性内歯歯車を、アルミニウム合金製の環状部材と、この環状部材の内周面に鋳込まれて一体化された鋼製の環状部材から構成し、当該鋼製の環状部材の内周面に前記内歯を形成すればよい。このように歯部のみを耐磨耗性の高い素材から形成してもよい。
【００１９】
一方、本発明の撓み噛み合い式歯車装置においては、剛性内歯歯車のみをアルミニウム合金から形成した場合においても、当該装置の軽量化を実現できるので、ロボットアーム等の駆動機構の減速装置として用いた場合には、その可搬重量の増加、慣性重量低減化による制御性の改善を図ることができる。この場合においても、剛性内歯歯車の内歯の部分の耐磨耗性、耐久性を改善するために、無電解ニッケルめっきなどの表面処理を施すことが望ましい。あるいは、剛性内歯歯車を、アルミニウム合金製の環状部材と、この環状部材の内周面に鋳込まれて一体化された鋼製の環状部材から構成して、当該鋼製の環状部材の内周面に内歯を形成してもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、図１および図２を参照して、本発明を適用したカップ型撓み噛み合い式歯車装置を説明する。
【００２１】
カップ型撓み噛み合い式歯車装置１は、内周面に内歯２１が形成された環状の剛性内歯歯車２を備えている。この剛性内歯歯車２の内側には、同心状に、カップ型の可能撓性外歯歯車３が配置されている。この可撓性外歯歯車３は、円筒状の胴部３１と、この胴部３１の一端から半径方向の内側に直角に延びている環状のダイヤフラム３２と、この環状のダイヤフラム３２の内周端に連続して形成された厚肉の環状ボス３３とから構成され、胴部３１の他端が開口端となったカップ型をしている。この胴部３１の開口端の外周面には、上記の内歯２１に噛み合い可能な外歯３４が円周方向に向けて形成されている。
【００２２】
この構成の可撓性外歯歯車３の外歯形成位置の内側には、楕円形輪郭をした波動発生器４が同心状に嵌め込まれている。波動発生器４は、環状のハブ部分４１と、このハブ部分４１の外周面に一体形成された楕円形輪郭の剛性カム板４２と、この剛性カム板４２の外周面に嵌めたウエーブベアリング４３とから構成されている。
【００２３】
可撓性外歯歯車３の外歯３４の形成部分は、波動発生器４によって楕円形に撓められている。この結果、外歯３４の直径方向の両端部分が、剛性内歯歯車２の側の内歯２１の部分に噛み合っている。波動発生器４をモータ等によって回転させると、噛み合い位置が円周方向に移動する。外歯の歯数は一般に内歯の歯数よりも２枚少ない数に設定されているので、噛み合い位置の移動に伴って、両歯車の間に相対回転が発生する。一般には、剛性内歯歯車２の側が固定されているので、カップ型可撓性外歯歯車３の環状ボス３３に連結された出力軸（図示せず）の側から減速回転を得ることができる。
【００２４】
ここで、波動発生器４の構成部品である、環状のハブ部分４１と剛性カム板４２はアルミニウム合金製の一体部品である。波動発生器は、撓み噛み合い式歯車装置１における重量の過半部分を占めているので、この部分をアルミニウム合金製とすることにより、当該撓み噛み合い式歯車装置１の重量を大幅に低減でき、また、その慣性重量も大幅に低減できる。したがって、撓み噛み合い式歯車装置１の軽量化を実現できるので、ロボットアーム等の駆動機構の減速装置として用いた場合には、その可搬重量の増加、制御性の改善等の効果を奏する。
【００２５】
また、当該撓み噛み合い式歯車装置および当該装置が連結されるモータ等の機器が過熱状態に陥ってしまうことを抑制できるという効果も奏する。すなわち、撓み噛み合い式歯車装置１の発熱源は波動発生器４のウエーブベアリング４３の部分である。また、一般に、撓み噛み合い式歯車装置１をモータと連結してロボットアーム等の駆動機構を構成した場合には、波動発生器４のハブ４１にモータ出力軸が連結されるので、モータ出力軸の側からも熱が波動発生器４の側に伝達される。したがって、波動発生器の部分が最も加熱した高温状態になりやすい。しかし、ハブ部分４１および剛性カム板４２は放熱性の良いアルミニウム合金製であるので、放熱性に優れた撓み噛み合い式歯車装置を実現できる。
【００２６】
本例では、更に、剛性カム板４２の膨張率をウエーブベアリング４３の内外輪４３ａ、４３ｂの膨張率と同等の値となるように設定してある。ウエーブベアリングの内外輪４３ａ、４３ｂは鋼製であり、その線膨張係数は約１２×１０-6／℃であるので、剛性カム板４２の線膨張係数を７〜１７×１０-6／℃の範囲内の値としてある。この結果、ウエーブベアリング４３および剛性カム板４２が熱変形した場合においても、剛性カム板の外周面と内輪の間が剥離する事態を回避でき、また、ウエーブベアリング４３のラジアル隙間が小さくなり当該ウエーブベアリングの円滑な回転が阻害される事態も回避できる。
【００２７】
次に、本例では、剛性内歯歯車２もアルミニウム合金製としてある。しかし、上記の波動発生器４の側で使用しているアルミニウム合金に比べて、膨張率が大きなアルミニウム合金を使用している。前述のように、撓み噛み合い式歯車装置１では、波動発生器４の部分が最も加熱した高温状態になりやすいので、この部分の熱膨張率を小さくし、最も加熱の少ない剛性内歯歯車２の側の熱膨張率を大きくしておけば、双方の部材の熱変形状態をほぼ同程度に保持できる。この結果、外歯３４と内歯２１の噛み合い状態、噛み合い位置の移動を適切な状態に保持できる。
【００２８】
また、本例では、アルミニウム合金製の剛性内歯歯車２の内歯２１の耐磨耗性、耐久性を改善するために、剛性内歯歯車２の内歯２１の歯部表面に無電解ニッケルめっきを施こしてある。
【００２９】
（そのほかの実施の形態）
上記の説明は、カップ型撓み噛み合い式歯車装置に本発明を適用した場合である。本発明は、可撓性外歯歯車がシルクハット型をした撓み噛み合い式歯車装置に対しても同様に適用できる。なお、シルクハット型の撓み噛み合い式歯車装置では、その可撓性外歯歯車は、円筒状の胴部と、この一端に連続して半径方向の外側に広がっている環状のボスと、このボスの外周端に連続している厚肉の環状ボスを備えた形状をしている。
【００３０】
また、本発明は、外歯と内歯の噛み合い位置が３箇所以上の撓み噛み合い式歯車装置に適用できる。例えば、三つ葉型の輪郭形状をした波動発生器を備え、３箇所で両歯車が噛み合う形式の撓み噛み合い式歯車装置にも適用できる。
【００３１】
さらに、アルミニウム合金製の内歯歯車の内歯の部分の耐磨耗性、耐久性を改善するための表面処理としては、上記のニッケルめっき以外の処理方法を採用してもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の撓み噛み合い式歯車装置においては、その装置重量の過半部分を占めると共に最も高温状態になりやすい波動発生器の部分を、軽量で放熱性に優れたアルミニウム合金製としてある。したがって、本発明によれば、軽量で放熱性に優れた撓み噛み合い式歯車装置を実現でき、ロボットアーム等の駆動機構の減速装置として用いた場合には、その可搬性および制御性を改善できるという効果を奏する。
【００３３】
また、本発明では、アルミニウム合金製の波動発生器の部分の熱膨張係数、およびアルミニウム合金製の剛性内歯歯車の熱膨張係数を適切な値に設定してあるので、装置の熱変形に伴う弊害も回避できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したカップ型撓み噛み合い式歯車装置の断面構成を示す概略構成図である。
【図２】図１の撓み噛み合い式歯車装置の側面構成を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１  撓み噛み合い式歯車装置
２  剛性内歯歯車
２１  内歯
３  可撓性外歯歯車
３１  胴部
３２  ダイヤフラム
３３  ボス
３４  外歯
４  波動発生器
４１  環状のハブ部分
４２  剛性カム板部分
４３  ウエーブベアリング
４３ａ  内輪
４３ｂ  外輪
【図１】
0003912848.tif 000002
【図２】
0003912848.tif 000003