JP2007040518A - 調和減速機 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐久性、軽量でかつ作製の容易な調和減速機を実現できるようにする。
【解決手段】 本発明の調和減速機は、環状の剛性内歯歯車２と、この内側に配置された可撓性外歯歯車３と、さらにこの内側に配置された波動発生器４とを有し、可撓性外歯歯車３は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部３１と、この胴部３１の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部３０と、胴部３１の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラム３２と、このダイヤフラムに連続しているボス３３とを備えたもので、可撓性外歯歯車３は、その胴部の外径を７ｍｍ以下とし、かつ３０〜６０質量％のバナジウム族元素を含有するチタン合金あるいはジルコニウムとニッケルを含有する金属ガラスで構成されたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、小径化と耐久性向上をはかった可撓性外歯歯車を備えた調和減速機に関するものである。

調和減速機は、そこに組み込まれている可撓性外歯歯車の形状によって、カップ型、シルクハット型、およびフラット型のものがある。従来、カップ型の調和減速機について提案されている代表的な例を図１に示す（例えば特許文献１参照）。
以下、特許文献１に示されるカップ型の調和減速機の例について説明する。図１はカップ型の調和減速機の概略を示す側断面図、図２はその正面図である。
カップ型の調和減速機１は、環状の剛性内歯歯車２とその内側に配置されたカップ形の可撓性外歯歯車３と、この内側にはめ込まれた楕円形の波動発生器４とを有している。カップ形の可撓性外歯歯車３は、円筒状の胴部３１と、この胴部３１の一端に連続している外歯３４が形成された円筒状歯部３０と、胴部３１の他端を封鎖している環状のダイヤフラム３２と、このダイヤフラム３２の中心に一体形成されているボス３３とを備えている。

可撓性外歯歯車３は、波動発生器４によって楕円形に一定歪だけ撓められて、その楕円形状における長軸方向の両端部分の外歯３４が、内歯歯車２の内周面に形成した内歯２１に噛み合っている。波動発生器４がモータ回転軸等により回転すると、両歯車の噛み合い位置が円周方向に移動する。内歯２１と外歯３４の歯数は２Ｎ（Ｎは正の整数）だけ差があるので、この歯数差に応じた相対回転が両歯車の間に発生する。一般的には、内歯歯車２の側が固定されるので、カップ形の可撓性外歯歯車３の側から、両歯車の歯数差に応じて大幅に減速された回転が出力される。このような動作のため、可撓性外歯歯車３は実用上では機械的強度に優れる特殊鋼を用いることが一般的である。

以上、カップ型のものを例に調和減速機の説明を行なったが、シルクハット型、フラット型に関しても動作の原理は同様である。
このような調和減速機は日本国内においては、可撓性外歯歯車の外径が１０ｍｍ程度以上のものが一般に市販されている。
特開２０００−５５１４７号公報（第３頁、図１）

ところが、以上、説明した調和減速機においては、ロボット等の駆動装置で使用されるため耐久性の向上と共に小径化・軽量化が求められている。特に、ロボットハンドに用いる場合は、小径化とともに耐久性向上が要求されている。調和減速機に用いられている可撓性外歯歯車の半径方向に変形可能な可撓性の筒状胴部は通常ニッケルクロムモリブデン鋼（ヤング率Ｅ＝２００ＧＰａ程度）などの特殊鋼を使用している。筒状胴部が一定歪を受けるような機器においては小径化すると印加される応力が増大して短時間使用で疲労破壊が生じるためにせいぜい８〜１０ｍｍ程度の外径が限界であった。すなわち、可撓性外歯歯車の変形量ΔＤは外径Ｄに関わらず一定で動作させるので、可撓性外歯歯車の外径が小さくなった場合、ΔＤ／Ｄすなわち歪εは大きくなる。一方、可撓性外歯歯車にかかる応力σはヤング率をＥとするとσ＝εＥの関係より、径が小さくなるほど大きくなり、結果として可撓性外歯歯車の疲労強度が問題となる。
本発明は、この点に鑑みて、小径の調和減速機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は次のように構成した。
請求項１記載の発明は、環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部と、この筒状胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを備えた調和減速機において、前記可撓性外歯歯車は、その胴部の外径を７ｍｍ以下とし、かつ３０〜６０質量％のバナジウム族元素を含有するチタン合金で構成したものである。
請求項２記載の発明は、前記チタン合金が、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の１種以上の元素を合計で１〜２０質量％含有するものである。
請求項３記載の発明は、前記チタン合金は、０．０８〜０．６質量％の酸素を含有するものである。
請求項４記載の発明は、環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部と、この筒状胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを備えた調和減速機において、前記可撓性外歯歯車は、その胴部の外径を７ｍｍ以下とし、かつ引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが０．０１５から０．０３であり、かつ引張強度７５０ＭＰａ以上である金属材料により構成されたことを特徴とする調和減速機である。
請求項５記載の発明は、前記金属材料が、金属ガラスであることを特徴とする調和減速機である。
請求項６記載の発明は、前記金属ガラスは、ジルコニウムを５から６０質量％含有し、かつ残部にニッケルを含有することを特徴とする調和減速機である。

請求項１から３記載の発明によると、可撓性外歯歯車に使用するチタン合金が他のチタン合金に比べ強度が特殊鋼と同等であり、かつヤング率が４０ＧＰａ程度とこれまで使用されてきたニッケルクロムモリブデン鋼などのヤング率２００ＧＰａ程度よりも小さいため、可撓性外歯歯車が同一歪εを受ける場合、この部材に発生する応力σはσ＝εＥからも明らかなように、より低くなる。すなわち、これまでの構成では困難であった外径７ｍｍ以下の可撓性外歯歯車でも部材が受ける応力が低くなり、小径の調和減速機を構成することができる。
請求項４から６記載の発明によると、可撓性外歯歯車に使用する金属ガラスの弾性ひずみが０．０１５〜０．０３と従来の特殊鋼の約０．００７程度と比べて大きく、かつ引張強度がＧＰａ以上であるので、引張強度が７５０ＭＰａ程度であるため上記と同様の効果が得られ、小径の調和減速機を構成することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１、２は、本発明を用いたカップ形の調和減速機である。形状的には従来と同じであるため、各部の符号の説明は省略する。環状の剛性内歯歯車２と波動発生器４およびその他の部品は従来と同じ方法で作製している。
可撓性外歯歯車３の作製方法は、可撓性外歯歯車３のカップ外径寸法を３、５、７、8ｍｍとし、つぎに示す＃１から＃４の４種類のチタン合金の板材および＃５から＃６の金属ガラス板材を用いて、冷間深絞り法により形成した。深絞り率は７０〜９０％程度である。この加工後、必要に応じ１００〜４００℃の焼鈍を併用した。金属ガラスの引張強度は弾性率で除した弾性ひずみが０．０１５から０．０３のものを用いた。数値は合金成分の質量％を表す。
（１）＃１：Ｔｉ−３５Ｎｂ−１０Ｖ−０．３５Ｏ
（２）＃２：Ｔｉ−４０Ｎｂ−６Ｖ−４Ｔａ−０．２８Ｏ
（３）＃３：Ｔｉ−２０Ｎｂ−５Ｖ−１０Ｔａ−５Ｚｒ−５Ｈｆ−０．２９Ｏ
（４）＃４：Ｔｉ−３５Ｎｂ−５Ｔａ−３Ｓｃ−０．２７Ｏ
（５）＃５：Ｚｒ−３０Ｃｕ−１０Ａｌ−５Ｎｉ
（６）＃６：Ｎｉ−２０Ｎｂ−１０Ｔｉ−８Ｚｒ−６Ｃｏ−３Ｃｕ
（７）＃７：ニッケルクロムモリブデン鋼
なお、＃７は従来の方法で作製した比較例である。

つぎに、作製した可撓性外歯歯車３を、剛性内歯歯車２および波動発生器４に組み込み、減速比１００として調和減速機１の耐久性を評価した。
評価方法は、出力端すなわち可撓性外歯歯車３のボス３３を固定し、この出力側に各サイズに合わせたトルクを正方向および負方向へ連続して印加されるよう入力端すなわち波動発生器４を動作させ、破壊せずに１０００回以上の印加トルク入力が可能であるかにより判断した。
耐久性の評価結果を表１に示す。

表１から分かるように、本発明の実施例の＃１〜＃６は、実施の水準範囲で合格となったが、比較例では外径７ｍｍでは１０００回に満たず破壊し、３ｍｍおよび５ｍｍでは外歯歯車を内歯歯車に組み込む際に破壊した。このように本発明では波動減速機の小径化に効果があることがわかる。
なお、可撓性外歯歯車３に用いたチタン合金は、バナジウム族元素を３０〜６０質量％としたが、３０質量％未満では、平均ヤング率の低下が十分でなく、６０質量％を超えると材料偏析が顕著となり強度、靭性および延性の特性を満足しない。また、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の１種以上の元素を合計で１〜２０質量％以下含有するものとしたが、２０質量％を超えると材料偏析が顕著となり強度、靭性および延性の特性を満足しない。さらに、酸素の含有量を０．０８〜０．６質量％としたが、０．０８質量％未満では、チタン合金の高強度化が十分でなくなり、０．６質量％を超えるとチタン合金の脆化を招き好ましくない。
また、可撓性外歯歯車３に用いた金属ガラスは、引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが０．０１５から０．０３のものを用いたが、この範囲以外の弾性ひずみのものでは、本発明に利用できるだけ十分なヤング率ではなく好ましくない。また、引張強度７５０ＭＰａ以上としたが、これ以下では本発明に利用できるだけ十分な強度ではなく好ましくない。

このように、本発明によれば、可撓性外歯歯車の構成部材のヤング率が小さくなり、撓ませて動作させるこの部材の受ける応力が外径７ｍｍ以下でも部材の応力限界より小さくなり、従って小径の調和減速機を構成することができる。

可撓性外歯歯車の表面応力に対して歪量を大きくとれるので、歪ゲージ貼り付けによる力検出機能を持つ調和減速機の可撓性外歯歯車の要素としても適用できる。

本発明に用いたカップ型の調和減速機を示す側断面図である。 図１の正面図である。

符号の説明

１ 調和減速機
２ 内歯歯車
２１ 内歯
３ 可撓性外歯歯車
３０ 歯部
３１ 胴部
３２ ダイヤフラム
３３ ボス
３４ 外歯
４ 波動発生器

Claims (6)

1. 環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部と、この筒状胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを備えた調和減速機において、
   前記可撓性外歯歯車は、その胴部の外径を７ｍｍ以下とし、かつ３０〜６０質量％のバナジウム族元素を含有するチタン合金で構成されたことを特徴とする調和減速機。
2. 前記チタン合金は、ジルコニウムとハフニウムとスカンジウムとからなる金属元素群中の１種以上の元素を合計で１〜２０質量％含有するものであることを特徴とする請求項１記載の調和減速機。
3. 前記チタン合金は、０．０８〜０．６質量％の酸素を含有することを特徴とする請求項１または２記載の調和減速機。
4. 環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、さらにこの内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能で可撓性を有する筒状の胴部と、この筒状胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状の歯部と、前記胴部の他端に連続して半径方向に延びる環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを備えた調和減速機において、
   前記可撓性外歯歯車は、その胴部の外径を７ｍｍ以下とし、かつ引張強度を弾性率で除した弾性ひずみが０．０１５から０．０３であり、かつ引張強度７５０ＭＰａ以上である金属材料により構成されたことを特徴とする調和減速機。
5. 前記金属材料は、金属ガラスであることを特徴とする請求項４記載の調和減速機。
6. 前記金属ガラスは、ジルコニウムを５から６０質量％含有し、かつ残部にニッケルを含有することを特徴とする請求項５記載の調和減速機。

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