JP5466739B2 - 偏心揺動型歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏心揺動型歯車装置に関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されているように、二つの相手側部材間で所定の減速比で回転数を減速する偏心揺動型歯車装置が知られている。この偏心揺動型歯車装置は、一方の相手側部材に固定される外筒と、外筒内に配置されるとともに、もう一方の相手側部材に固定されるキャリアとを備えており、キャリアは、クランク軸の偏心部に取り付けられた揺動歯車の揺動回転によって外筒に対して相対的に回転する。

特開２００６−７７９８０号公報

近年、ロボットの使用環境の変化により、ロボットの稼働率が上げられる傾向にあり、これに伴い減速機についても高速化が要求されている。偏心揺動型歯車装置では、使用時にキャリア内の温度が外筒の温度よりも高くなる。このため、使用時には揺動歯車が熱膨張するが、この熱膨張により、揺動歯車の外歯と外筒の内歯との間のすき間が狭くなり、揺動歯車の歯面の面圧が高くなり、その結果、揺動歯車の寿命を低下させるという問題がある。

そこで、本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、揺動歯車の歯面の面圧が高くなることを抑制することにより、揺動歯車の寿命が短くなることを抑制することにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、第１の部材と第２の部材との間で所定の回転数比で回転数を変換して駆動力を伝達する歯車装置であって、偏心部と、前記偏心部が挿入される挿通孔を有すると共に歯部を有する揺動歯車と、前記第１の部材及び前記第２の部材の一方に取り付け可能に構成される外筒と、前記第１の部材及び前記第２の部材の他方に取り付け可能に構成されるキャリアと、を備える偏心揺動型歯車装置である。前記外筒は、前記揺動歯車の前記歯部と噛み合う内歯を有しており、前記キャリアは、前記揺動歯車を保持した状態で前記外筒の径方向内側に配置され、前記外筒と前記キャリアとは、前記偏心部の回転に伴う前記揺動歯車の揺動によって同心状に互いに相対的に回転可能である。この偏心揺動型歯車装置では、使用時における前記揺動歯車の熱膨張によって前記外筒に対する前記キャリアのバックラッシ角度が略１分になるように、前記バックラッシ角度は２分〜３分に設定されている。

一般に偏心揺動型歯車装置の使用時には、外筒よりも揺動歯車の方が高温となる。このため、外筒に配設された内歯と揺動歯車の歯部とのすき間が使用前に比べて狭くなる傾向にある。したがって、通常の偏心揺動型歯車装置のように、外筒に対する揺動歯車のバックラッシ角度が略１分に設定されていれば、揺動歯車の発熱によって前記すき間（遊び）が狭くなると、揺動歯車の歯面の面圧上昇に繋がり、疲労強度が低減してしまう。これに対し、本発明では、バックラッシ角度が２分〜３分に設定されているので、偏心揺動型歯車装置を作動させることによって揺動歯車が昇温して膨張すると、外筒に対するキャリアのバックラッシ角度を略１分にすることができる。したがって、使用時においては外筒に対するキャリアのバックラッシ角度が過大になることがないため、偏心揺動型歯車装置として停止精度を維持することができ、しかも、揺動歯車の歯面の面圧が高くなることを抑制することができて、揺動歯車の寿命の低減を抑制することができる。

ここで、前記外筒と前記キャリアとの間の相対回転数は、８０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍであってもよい。

この態様では、８０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍという高速領域での回転数で使用されるため、使用開始後の揺動歯車の昇温も早い。したがって、使用開始後に通常のバックラッシ角度（略１分）になるまでの時間も短く、暖機運転の時間を短く又は無くすことができる。

以上説明したように、本発明によれば、揺動歯車の歯面の面圧が上昇することを抑制することができるため、揺動歯車の寿命が短くなることを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る偏心揺動型歯車装置の構成を示す断面図である。 （ａ）図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。 バックラッシ角度を説明するための図である。 外筒の温度変化に伴うバックラッシ角度の変化を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態に係る偏心揺動型歯車装置について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態の偏心揺動型歯車装置（以下、歯車装置と称する）１は、例えばロボットの旋回胴や腕関節等の旋回部、各種工作機械の旋回部等に減速機として適用されるものである。この歯車装置１は、例えば、８０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍの回転数で使用される。

本実施形態に係る歯車装置１は、入力軸８を回転させることによってクランク軸１０を回転させ、クランク軸１０の偏心部１０ａ，１０ｂに連動して揺動歯車１４，１６を揺動回転させることにより、入力回転から減速した出力回転を得るように構成されている。これにより、例えばロボットのベース（一方の相手部材）と旋回胴（他方の相手部材）との間で、相対回転を生じさせることができる。

図１及び２に示すように、歯車装置１は、外筒２と、キャリア４と、入力軸８と、複数（例えば３つ）のクランク軸１０と、第１揺動歯車１４と、第２揺動歯車１６と、複数（例えば３つ）の伝達歯車２０とを備えている。

外筒２は、歯車装置１の外面を構成するものであり、略円筒形状を有している。外筒２は、例えばロボットのベース（図示省略；第１の部材）に締結される。外筒２の内周面には、多数のピン溝２ｂが形成されている。各ピン溝２ｂは、外筒２の軸方向に延びるように配置され、軸方向に直交する断面において半円形の断面形状を有している。これらのピン溝２ｂは、外筒２の内周面に周方向に等間隔で並んでいる。

外筒２は、多数の内歯ピン３を有している。各内歯ピン３は、ピン溝２ｂにそれぞれ取り付けられている。具体的に、各内歯ピン３は、対応するピン溝２ｂにそれぞれ嵌め込まれており、外筒２の軸方向に延びる姿勢で配置されている。これにより、多数の内歯ピン３は、外筒２の周方向に沿って等間隔で並んでいる。これらの内歯ピン３には、第１揺動歯車１４の第１外歯１４ａ及び第２揺動歯車１６の第２外歯１６ａが噛み合う。

外筒２には、フランジ部が設けられており、このフランジ部は、例えばロボットのベースに固定するための締結具（ボルト）を挿通するための挿通孔２ｃが形成されている。

キャリア４は、外筒２と同軸上に配置された状態でその外筒２内に収容されている。キャリア４は、例えばロボットの旋回胴（図示省略；第２の部材）に締結される。キャリア４は、外筒２に対して同じ軸回りに相対回転する。具体的に、キャリア４は、外筒２の径方向内側に配置されており、この状態で、軸方向に互いに離間して設けられた一対の主軸受６によって外筒２に対して相対回転可能に支持されている。

キャリア４は、基板部４ａと複数（例えば３つ）のシャフト部４ｃとを有する基部と、端板部４ｂと、を備えている。

基板部４ａは、外筒２内において軸方向の一端部近傍に配置されている。この基板部４ａの径方向中央部には円形の貫通孔４ｄが設けられている。貫通孔４ｄの周囲には、複数（例えば３つ）のクランク軸取付孔４ｅ（以下、単に取付孔４ｅという）が周方向に等間隔で設けられている。

基板部４ａには、キャリア４を例えばロボットの旋回胴に固定するための図略の締結具（ボルト）を締結するための締結孔４ｉが形成されている。

端板部４ｂは、基板部４ａに対して軸方向に離間して設けられており、外筒２内において軸方向の他端部近傍に配置されている。端板部４ｂの径方向中央部には貫通孔４ｆが設けられている。貫通孔４ｆの周囲には、複数（例えば３つ）のクランク軸取付孔４ｇ（以下、単に取付孔４ｇという）が基板部４ａの複数の取付孔４ｅと対応する位置に設けられている。外筒２内には、端板部４ｂ及び基板部４ａの互いに対向する双方の内面と、外筒２の内周面とで囲まれた閉空間が形成されている。

３つのシャフト部４ｃは、基板部４ａと一体的に設けられており、基板部４ａの一主面（内側面）から端板部４ｂ側へ直線的に延びている。この３つのシャフト部４ｃは、周方向に等間隔で配設されている（図２（ａ）参照）。各シャフト部４ｃは、ボルト４ｈによって端板部４ｂに締結されている（図１参照）。これにより、基板部４ａ、シャフト部４ｃ及び端板部４ｂが一体化されている。

入力軸８は、図略の駆動モータの駆動力が入力される入力部として機能するものである。入力軸８は、端板部４ｂの貫通孔４ｆ及び基板部４ａの貫通孔４ｄに挿入されている。入力軸８は、その軸心が外筒２及びキャリア４の軸心と一致するように配置されており、軸回りに回転する。入力軸８の先端部の外周面には入力ギア８ａが設けられている。

３つのクランク軸１０は、外筒２内において入力軸８の周囲に等間隔で配置されている（図２参照）。各クランク軸１０は、一対のクランク軸受１２ａ，１２ｂによりキャリア４に対して軸回りに回転可能に支持されている（図１参照）。具体的に、各クランク軸１０の軸方向の一端から所定長さだけ軸方向内側の部分に第１クランク軸受１２ａが取り付けられており、この第１クランク軸受１２ａは、基板部４ａの取付孔４ｅに装着されている。一方、各クランク軸１０の軸方向の他端部に第２クランク軸受１２ｂが取り付けられており、この第２クランク軸受１２ｂは、端板部４ｂの取付孔４ｇに装着されている。これにより、クランク軸１０は、基板部４ａ及び端板部４ｂに回転可能に支持されている。

各クランク軸１０は、軸本体１０ｃと、この軸本体１０ｃに一体的に形成された偏心部１０ａ，１０ｂとを有する。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、両クランク軸受１２ａ，１２ｂによって支持された部分の間に軸方向に並んで配置されている。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、それぞれ円柱形状を有しており、いずれも軸本体１０ｃの軸心に対して偏心した状態で軸本体１０ｃから径方向外側に張り出している。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、それぞれ軸心から所定の偏心量で偏心しており、互いに所定角度の位相差を有するように配置されている。

クランク軸１０の一端部、すなわち、基板部４ａの取付孔４ｅ内に取り付けられる部分の軸方向外側の部位には、伝達歯車２０が取り付けられる被嵌合部１０ｄが設けられている。

第１揺動歯車１４は、外筒２内の前記閉空間に配設されているとともに各クランク軸１０の第１偏心部１０ａに第１ころ軸受１８ａを介して取り付けられている。第１揺動歯車１４は、各クランク軸１０が回転して第１偏心部１０ａが偏心回転すると、この偏心回転に連動して内歯ピン３に噛み合いながら揺動回転する。

第１揺動歯車１４は、外筒２の内径よりも少し小さい大きさを有している。第１揺動歯車１４は、第１外歯１４ａと、中央部貫通孔１４ｂと、複数（例えば３つ）の第１偏心部挿通孔１４ｃと、複数（例えば３つ）のシャフト部挿通孔１４ｄとを有している。第１外歯１４ａは、揺動歯車１４の周方向全体に亘って滑らかに連続する波形状を有している。

中央部貫通孔１４ｂは、第１揺動歯車１４の径方向中央部に設けられている。中央部貫通孔１４ｂには、入力軸８が遊びを持った状態で挿通されている。

３つの第１偏心部挿通孔１４ｃは、第１揺動歯車１４において中央部貫通孔１４ｂの周囲に周方向に等間隔で設けられている。各第１偏心部挿通孔１４ｃには、第１ころ軸受１８ａが介装された状態で各クランク軸１０の第１偏心部１０ａがそれぞれ挿通されている。

３つのシャフト部挿通孔１４ｄは、第１揺動歯車１４において中央部貫通孔１４ｂの周りに周方向に等間隔で設けられている。各シャフト部挿通孔１４ｄは、周方向において、３つの第１偏心部挿通孔１４ｃ間の位置にそれぞれ配設されている。各シャフト部挿通孔１４ｄには、対応するシャフト部４ｃが遊びを持った状態で挿通されている。

第２揺動歯車１６は、外筒２内の前記閉空間に配設されているとともに各クランク軸１０の第２偏心部１０ｂに第２ころ軸受１８ｂを介して取り付けられている。第１揺動歯車１４と第２揺動歯車１６は、第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂの配置に対応して軸方向に並んで設けられている。第２揺動歯車１６は、各クランク軸１０が回転して第２偏心部１０ｂが偏心回転すると、この偏心回転に連動して内歯ピン３に噛み合いながら揺動回転する。

第２揺動歯車１６は、外筒２の内径よりも少し小さい大きさを有しており、第１揺動歯車１４と同様の構成となっている。すなわち、第２揺動歯車１６は、第２外歯１６ａ、中央部貫通孔１６ｂ、複数（例えば３つ）の第２偏心部挿通孔１６ｃ及び複数（例えば３つ）のシャフト部挿通孔１６ｄを有している。これらは、第１揺動歯車１４の第１外歯１４ａ、中央部貫通孔１４ｂ、複数の第１偏心部挿通孔１４ｃ及び複数のシャフト部挿通孔１４ｄと同様の構造を有している。各第２偏心部挿通孔１６ｃには、第２ころ軸受１８ｂが介装された状態でクランク軸１０の第２偏心部１０ｂが挿通されている。

各伝達歯車２０は、入力ギア８ａの回転を対応するクランク軸１０に伝達するものである。各伝達歯車２０は、対応するクランク軸１０の軸本体１０ｃにおける一端部に設けられた被嵌合部１０ｄにそれぞれ外嵌されている。各伝達歯車２０は、クランク軸１０の回転軸と同じ軸回りにこのクランク軸１０と一体的に回転する。各伝達歯車２０は、入力ギア８ａと噛み合う外歯２０ａを有している。

ここで、本実施形態に係る歯車装置１におけるキャリア４のバックラッシ角度について説明する。バックラッシ角度とは、入力軸を固定した状態でキャリア４にトルクを加えたときに、トルクがゼロの状態でキャリア４が軸回りに回動する角度のことである。すなわち、キャリア４内の揺動歯車１４，１６の外歯１４ａ，１６ａと外筒２内の内歯ピン３との間には、図２（ｂ）に示すようにすき間があるため、キャリア４にトルクを加えると、外歯１４ａ，１６ａが内歯ピン３に噛み合うまでトルクゼロの状態のまま僅かに回動する。この回動角度は、外歯１４ａ，１６ａと内歯ピン３との間のすき間の大きさに応じた角度となる。そして、図３に示すように、外歯１４ａ，１６ａが内歯ピン３に噛み合った状態では、キャリア４のねじれ角は、加えられたトルクの大きさに応じた大きさとなる。このように、キャリア４には、前記すき間の大きさに応じたバックラッシ角度でトルクゼロのまま回動が可能であり、このバックラッシ角度の大きさはロボットの位置決め精度（停止精度）に影響する。そこで、一般には、バックラッシ角度が約１分（６０分の１度）になるように、外筒及び揺動歯車の形状が設定されている。

これに対し、本実施形態の歯車装置１では、使用前の状態でバックラッシ角度が２分〜３分になるように設定されている。すなわち、外筒２は、外気に放熱したり、締結される相手側部材（例えばロボットのベース）に放熱するため、揺動歯車１４，１６及び内歯ピン３に比べて熱膨張量が小さい。このため、歯車装置１を作動させると、揺動歯車１４，１６の外歯１４ａ，１６ａと内歯ピン３との間のすき間（クリアランス）が狭くなる傾向にある。これにより、本実施形態の歯車装置１では、使用時の昇温により、バックラッシ角度が略１分となる設定となっている。例えば内歯ピン３の外径を従来のものに比べて小さくすることにより、発熱によるクリアランス減少分に相当するクリアランスを予め付加しておくことができる。

図４は、使用時の発熱に伴うバックラッシ角度についての使用前の状態からの変化を示している。使用時には、外筒２の温度は７０〜８０℃程度にまで上昇する。したがって、使用前の状態（例えば２０℃）でバックラッシ角度が２分であれば、７０℃でバックラッシ角度が１分未満（約０．６分）となる。また、使用前の状態でバックラッシ角度が３分であれば、７０℃でバックラッシ角度が約１．２分となる。したがって、使用前の状態でのバックラッシ角度が２〜３分であれば、使用中のバックラッシ角度は約１分となる。特に、本実施形態では、８０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍで使用される歯車装置となっているので、この温度に達するまでに余り時間がかからず、バックラッシの大きな状態で使用されることは少ない。なお、図４において、使用前の状態でバックラッシ角度が３分の場合のデータは推測値である。

図４に示す比較例１のように、使用前の状態でバックラッシ角度が１分の場合には、６０℃以上において、温度上昇によってもバックラッシ角度が下がらず、下げ止まっている。これは、６０℃付近で既にすき間がなくなってしまった状態を表していると推測される。一方、比較例２は、使用前の状態でバックラッシ角度が６分の場合を示しているが、この比較例２では、外筒の温度が上昇した使用中においてもバックラッシ角度が略４分あり、ロボットの位置決め精度（停止精度）が悪いものとなる。

以上説明したように、本実施形態の歯車装置１では、バックラッシ角度が２分〜３分に設定されているので、歯車装置１を作動させることによって揺動歯車１４，１６が昇温して膨張すると、外筒２に対するキャリア４のバックラッシ角度を略１分にすることができる。したがって、使用時においては外筒２に対するキャリア４のバックラッシ角度が過大になることがないため、偏心揺動型歯車装置１として停止精度を維持することができ、しかも、揺動歯車１４，１６の歯面の面圧が高くなることを抑制することができて、揺動歯車１４，１６の寿命の低減を抑制することができる。すなわち、実使用時におけるバックラッシ角度の最適化を図ることができる。

また本実施形態では、外筒２とキャリア４との間の相対回転数が８０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍである。この態様では、８０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍという高速領域での回転数で使用されるため、使用開始後の揺動歯車１４，１６の昇温も早い。したがって、使用開始後に通常のバックラッシ角度（略１分）になるまでの時間も短く、暖機運転の時間を短く又は無くすことができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、前記実施形態では、２つの揺動歯車１４，１６が設けられた構成としたが、これに限られるものではない。例えば、１つの揺動歯車が設けられる構成、又は３つ以上の揺動歯車が設けられる構成であってもよい。

前記実施形態では、入力軸８がキャリア４の中央部に配設され、複数のクランク軸１０が入力軸８の周囲に配設される構成としたがこれに限られるものではない。例えば、クランク軸１０がキャリア４の中央部に配設されたセンタークランク式としてもよい。この場合、入力軸８がクランク軸１０に取り付けられた伝達歯車２０に噛み合うように設けられれば、入力軸８はどの位置に配設されていてもよい。

前記実施形態では、外筒２がロボットのベースに結合されるとともにキャリア４がロボットの旋回胴に結合され、キャリア４が外筒２に対して回動する構成としたが、これに限られるものではなく、キャリア４がロボットのベースに結合されるとともに外筒２がロボットの旋回胴に結合され、外筒２がキャリア４に対して回動する構成としてもよい。

１ 偏心揺動型歯車装置
２ 外筒
３ 内歯ピン
４ キャリア
６ 主軸受
１０ クランク軸
１０ａ 第１偏心部
１０ｂ 第２偏心部
１０ｃ 軸本体
１２ａ 第１クランク軸受
１２ｂ 第２クランク軸受
１４ 第１揺動歯車
１４ａ 外歯
１６ 第２揺動歯車
１６ａ 外歯

Claims (2)

1. 第１の部材と第２の部材との間で所定の回転数比で回転数を変換して駆動力を伝達する歯車装置であって、
   偏心部と、
   前記偏心部が挿入される挿通孔を有すると共に歯部を有する揺動歯車と、
   前記第１の部材及び前記第２の部材の一方に取り付け可能に構成される外筒と、
   前記第１の部材及び前記第２の部材の他方に取り付け可能に構成されるキャリアと、を備え、
   前記外筒は、前記揺動歯車の前記歯部と噛み合う内歯を有しており、
   前記キャリアは、前記揺動歯車を保持した状態で前記外筒の径方向内側に配置され、
   前記外筒と前記キャリアとは、前記偏心部の回転に伴う前記揺動歯車の揺動によって同心状に互いに相対的に回転可能であり、
   使用時における前記揺動歯車の熱膨張によって前記外筒に対する前記キャリアのバックラッシ角度が略１分になるように、前記バックラッシ角度は２分〜３分に設定されている偏心揺動型歯車装置。
2. 前記外筒と前記キャリアとの間の相対回転数は、８０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍである請求項１に記載の偏心揺動型歯車装置。

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