JP6025761B2 - 駆動ユニット - Google Patents

Description

本発明は、波動歯車装置、遊星歯車装置等の歯車減速機に電動モータを組み込んだ駆動ユニットに関する。

従来、減速機をアクチュエータに連結した駆動ユニットが様々な技術分野で用いられている。例えば、産業用ロボット、工作機械等の用途には、高い位置決め精度と大トルクが要求されるので、波動歯車装置、遊星歯車装置等の歯車減速機を電動モータの回転軸に連結した駆動ユニットが用いられている。

近年、特に多関節ロボットは、より多様な作業に対応可能とするために、関節部に配置される駆動ユニットの小型軽量化が要求されている。そのため、歯車減速機の内部にアクチュエータを組み込むことにより、駆動ユニットを小型軽量化することが提案されている。

ここで、歯車減速機の内部にアクチュエータが組み込まれた駆動ユニットとして、例えば、特許文献１には、波動歯車装置のサーキュラスプライン（剛歯車）に噛み合うフレクスプライン（柔歯車）と該フレクスプラインの内側に設けた保持部材との間に、流体の圧力で半径方向に伸縮する複数の伸縮体を放射状に配置した構成が開示されている。また、特許文献２には、加熱により互いに向きが異なる楕円形状に変形する複数のリング状の形状記憶合金を軸方向に並べて配置した構成が開示されている。さらに、特許文献３には、円環状のロータの内側に、複数の圧力室を備えた弾性体を配置し、各圧力室に順次圧力を供給して弾性体とロータとの接触点を移動させることにより、弾性体の外周面に沿ってロータを摺動することなく転動運動させ、ロータを回転させる構成が開示されている。

一方で、産業用ロボットなどの分野において、従来にも増して高い位置決め精度が要求されており、そのために、駆動ユニット等の動力伝達系が軸周りにねじれることに生じる位置ずれまたは振動を低減することが求められている。

特開平７−７７１５８号公報 特開平７−９８０４８号公報 特開平１０−７８０１０号公報

しかしながら、特許文献１、２の場合、カップ状のフレクスプラインが出力部を支持し、特許文献３の場合、剛性の低いアクチュエータである弾性体が出力部を支持しており、これら従来技術はいずれも、駆動部から出力部に至るまでに剛性の低い部分を有する。出力部に大きな負荷トルクがかかると、この剛性の低い部分でねじれが生じるので、構造上、高い回転精度で回転駆動することは難しい。

また、一般に、特許文献１〜３に記載されるような流体圧力や熱を用いるアクチュエータは、電動モータに比べて、位置や速度を制御するのがやや困難であり、制御性に劣る。したがって、従来技術では、制御面からも、高い回転精度での回転駆動が困難である。

したがって、本発明の目的は、歯車減速機に電動モータを組み込むことで小型軽量化を図りながら良好な制御性を実現すると共に、ねじり剛性をより高くすることで更なる回転精度の向上を可能とする駆動ユニットを提供することにある。

上述の目的を達成するために、本願発明に係る駆動ユニットは、
第１および第２の内歯が互いに離間して同軸に形成され、前記第１および第２の内歯が中心軸部を介して一体的に構成された第１の歯車部材と、
前記第１および第２の内歯の間に同軸に配置される第３の内歯が形成された第２の歯車部材と、
前記第１、第２および第３の内歯とそれぞれ周方向の一部で噛み合う第１、第２および第３の外歯が同軸に形成された円筒状の可撓性中間歯車部材と、
前記可撓性中間歯車部材の内側に回転可能に設けられ、前記可撓性中間歯車部材を内側から押圧するカム部が外周に設けられた円筒状のロータと、該ロータの内側に空隙を介して配置され、前記中心軸部に固定されたステータとを有する電動モータと、を備え、
前記第１の内歯と前記第１の外歯の歯数比と、前記第２の内歯と前記第２の外歯の歯数比とは、互いに等しく、かつ、それぞれ、前記第３の内歯と前記第３の外歯の歯数比とは異なり、
前記電動モータの回転駆動により、前記可撓性中間歯車部材の前記第１乃至第３の外歯がそれぞれ前記第１乃至第３の内歯と周方向の一部で噛み合う箇所を周方向に移動させるように、前記カム部の回転により前記可撓性中間歯車部材を半径方向に変形させ、前記第１の歯車部材と前記第２の歯車部材が相対回転する
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、歯車減速機に電動モータを組み込むことで小型軽量化を図りながら良好な制御性を実現すると共に、ねじり剛性をより高くすることで、更なる回転精度の向上が可能である。

本発明の実施の形態１を示す駆動ユニットをその軸線を通る平面で切断した断面図（ａ）と一部拡大図（ｂ）である。 図１の駆動ユニットをＡ−Ａ断面で切断した断面図（ａ）とＢ−Ｂ断面で切断した断面図（ｂ）である。 図１の駆動ユニットの動作を説明する説明図である。 図１の駆動ユニットのねじり剛性について説明する概念図である。 本発明の実施の形態２を示す駆動ユニットをその軸線を通る平面で切断した断面図（ａ）と一部拡大図（ｂ）である。 図５の駆動ユニットをＡ−Ａ断面で切断した断面図（ａ）とＢ−Ｂ断面で切断した断面図（ｂ）である。 図５の駆動ユニットの動作を説明する説明図である。 図５の駆動ユニットのねじり剛性について説明する概念図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１として、波動歯車装置に電動モータが組み込まれた駆動ユニット１００の構成について、図１から図３を参照しながら説明する。

図１（ａ）に示すように、駆動ユニット１００は、ベース部材８０と被回転体（図示しない）の間に設けられ、被回転体をベース部材８０に対して相対的に回転させる装置であり、その回転は、回転軸線１を中心として行われる。

駆動ユニット１００は、主要な構成部品として、剛性のある材料で形成された第１の歯車部材１０を有する。第１の歯車部材１０は、回転軸線１の方向（以下、「軸方向」という。）に延びる中心軸部１１を有し、該中心軸部１１の軸方向の両端には、半径方向に拡がる第１および第２の円盤部１２、１５がそれぞれ連続して設けられている。第１の円盤部１２は、その軸方向の外側端面（図１の右側）にベース部材８０が締結ボルト等（図示しない）により固定されている。第１および第２の円盤部１２、１５は、互いに平行に配置され、それらの互いに対向する面には、第１および第２の円筒部１３、１６がそれぞれ連続して設けられている。第１および第２の円筒部１３、１６は、それらの中心線が回転軸線１と同軸となるように配置されており、それらの互いに対向する面が軸方向に離間するような軸方向の長さを備える。また、第１および第２の円筒部１３、１６は、第１および第２の円盤部１２、１５と略同じ外径をそれぞれ備えると共に、互いに略同じ内径を備え、各内周面には、第１および第２の内歯１４、１７が形成されている。

第１の歯車部材１０に設けられた上述の中心軸部１１、第２の円盤部１２、１５および第１および第２の円筒部１３、１６は、互いに一体的に構成され、駆動ユニット１００において一つの部品として機能する。なお、これら中心軸部１１、第２の円盤部１２、１５および第１および第２の円筒部１３、１６は、いずれの部品同士を各々別個にまたは一体の部品として製造するかは任意である。別個に製造された場合、別個の隣接する部品同士は、例えば溶接、締結ボルト、焼き嵌めなどにより相互に連結してもよい。

駆動ユニット１００は、第１の歯車部材１０の第２の円盤部１５と第２の円筒部１６を隙間を介して取り囲むように配置された、剛性のある材料で形成された第２の歯車部材２０を有する。駆動ユニット１００において、第２の歯車部材２０は、第１の歯車部材１０と同軸に配置され、第１の歯車部材１０に対して回転軸線１を中心として相対的に回転可能に設けられている。第２の歯車部材２０は、軸方向の一端に半径方向に拡がる円盤部２１を備え、該円盤部２１の第１の歯車部材１０側（図１の右側）の端面には、円筒部２２が連続して設けられている。円筒部２２は、円盤部２１と略同じ外径を備えると共に、第１の歯車部材１０の第２の円筒部１６の外径よりもわずかに大きい内径を備える。また、円筒部２２は、その端面に円環部２３が連続して設けられている。円環部２３は、その軸方向の長さが、第１の歯車部材１０の第１および第２の円筒部１３、１６の対向する端面間の距離よりもわずかに短く、その中心線が回転軸線１と同軸であって、第１および第２の円筒部１３、１６の間に軸方向に隙間を介して配置される。また、円環部２３は、円筒部２２と略同じ外径を備えると共に、第１の歯車部材１０の第１および第２の円筒部１３、１６と略同じ内径を備え、内周面に第３の内歯２４が形成されている。

第２の歯車部材２０に設けられた上述の円盤部２１、円筒部２２および円環部２３は、互いに一体的に構成され、駆動ユニット１００において一つの部品として機能する。なお、これら円盤部２１、円筒部２２および円環部２３は、いずれの部品同士を各々別個にまたは一体の部品として製造するかは任意である。別個に製造された場合、隣接する部品同士は、例えば溶接、締結ボルト、焼き嵌め等により相互に連結してもよい。

また、本実施の形態１の場合、被回転体は、第２の歯車部材２０の円盤部２１に締結ボルト等（図示しない）により固定される。さらに、第２の歯車部材２０を第１の歯車部材１０に対して相対回転可能に支持するため、互いに対向する第２の歯車部材２０の円筒部２２と第１の歯車部材１０の第２の円筒部１６との間に、例えばクロスローラ軸受（図示しない）を設けてもよい。

駆動ユニット１００は、上述の第１の歯車部材１０と第２の歯車部材２０によって囲まれた円環状の空間を有する。この空間内には、楕円形状に弾性変形可能な可撓性のある薄肉円筒状の中間歯車部材３０が設けられると共に、さらにその中間歯車部材３０の内側に駆動部７０が設けられている。中間歯車部材３０は、その軸方向の長さが、第１の歯車部材１０の第１および第２の円盤部１２、１５の対向する端面間の距離よりもわずかに短く、その中心線が回転軸線１と同軸であって、第１および第２の円盤部１２、１５の間に軸方向に隙間を介して配置される。また、中間歯車部材３０は、その外周面に第１、第２および第３の外歯３２、３４、３６が軸方向に順に形成されており、非変形（図示しない円筒形状）時には、第１の歯車部材１０と第２の歯車部材２０の内径よりも小さな外径を備える。

図１（ｂ）に示すように、第１の歯車部材１０の第１および第２の内歯１４、１７は、軸方向に互いに離間しており、これら第１および第２の内歯１４、１７の間に、第２の歯車部材２０の第３の内歯２４が同軸状態で配置されている。後述するように中間歯車部材３０が楕円形状に変形された状態では、中間歯車部材３０の第１および第２の外歯３２、３４は、第１の歯車部材１０の第１および第２の内歯１４、１７とそれぞれ周方向の一部で噛み合うと共に、中間歯車部材３０の第３の外歯３６は、第２の歯車部材２０の第３の内歯２４と周方向の一部で噛み合うように構成されている。すなわち、中間歯車部材３０は、その軸方向の両端で第１の歯車部材１０と噛み合い、その軸方向の中央で第２の歯車部材２０と噛み合う構成を備えている。

これらの内歯１４、１７、２４および外歯３２、３４、３６は、第１の内歯１４と第１の外歯３２の歯数比と、第２の内歯１７と第２の外歯３４の歯数比とは、互いに等しく、かつ、それぞれ、第３の内歯２４と第３の外歯３６の歯数比とは異なるように設けられている。また、通常、互いに噛み合う内歯と外歯に歯数差を設ける場合、外歯に対して内歯の歯数を２ｎ（ｎは正の整数）だけ少なくする。前述の歯車比の条件を満たす例として、本実施の形態１では、第１および第２の内歯１４、１７と第１乃至第３の外歯３２、３４、３６の歯数を１００、第３の内歯２４の歯数を１０２とする。

図２に示すように、駆動部７０は、中間歯車部材３０の内側に楕円軸受４０を有する。楕円軸受４０は、その外形が楕円形状の軸受であり、外輪４１、転動体４２および内輪４３で主に構成されている。外輪４１は、その外周面で中間歯車部材３０の内側に嵌合し、中間歯車部材３０と共に楕円形状に変形可能な可撓性のある材料で形成されている。内輪４３は、その内周面で後述する楕円カム部５０の外側に嵌合可能に構成されている。また、外輪４１と内輪４３の間には、外輪４１と内輪４３が互いに相対回転可能とするため、球状の転動体４２が複数設けられている。なお、転動体４２は、球状の形状に限らず、例えば円筒状のものであってもよい。また、図１では、転動体４２が軸方向に３列並んで設けられているが、これに限るものではない。

また、駆動部７０は、楕円軸受４０の内側に楕円カム部５０を有する。楕円カム部５０は、楕円形状の外形を有する筒状のカムであり、楕円軸受４０の内輪４３に嵌合して配置される。楕円カム部５０は、後述する電動モータ６０のロータ６２の外側に嵌合可能な内周面を備える。

さらに、駆動部７０は、楕円カム部５０の内側に電動モータ６０を有する。電動モータ６０は、楕円カム部５０が外側に嵌合される円筒状のロータ６２を有する。本実施の形態１において、ロータ６２は、その内周面に周方向に等間隔に固定された複数の永久磁石６６を有する。また、電動モータ６０は、ロータ６２の内側に空隙を介して配置されたステータ６４を有する。ステータ６４は、軸方向に積層された電磁鋼板からなる円環状の鉄心に巻線が施されたものであり、該鉄心は、第１の歯車部材１０の中心軸部１１に嵌合して固定されている。このステータ６４に通電して回転磁界を発生させることで、鉄心の外周面に対向して配置された複数の永久磁石６６に回転トルクが生じるので、ロータ６２を回転させることができる。なお、図１に示すように、ロータ６２をステータ６４も対して回転可能に支持するために、ロータ６２の両端部に軸受が配置されているが、軸受の配置する位置は、図示されたものに限らない。

また、電動モータ６０は、モータ回転数を検出するための、例えばアブソリュートタイプのエンコーダ等の回転センサ（図示しない）を備えており、駆動ユニット１００の外部にあるモータドライバ（図示しない）に接続され、該モータドライバによって回転センサの出力信号に基づいて回転制御される。なお、電動モータ６０として、一般的なサーボモータ、ステッピングモータなどが使用できる。また、電動モータ６０には、ロータ６２の回転を摩擦により停止させるためのブレーキ（図示しない）を設けてもよい。

図２に示すように、第１の歯車部材１０の中心軸部１１には、駆動ユニット１００の外部にあるモータドライバと電動モータ６０間を配線するために、軸方向に延びる複数の穴部１８が周方向に等間隔に形成されている。なお、複数の穴部１８の代わりに、中心軸部１１の中心に大径の貫通穴を一つ形成してもよい。これによれば、第２の歯車部材２０の円盤部２１にも中心に大径の貫通穴を設けることで、駆動ユニット１００のベース部材８０側からこの貫通穴を介して出力部側（ベース部材８０と反対側）へ様々な配線、配管を通すことができる。

さらに、本実施の形態１のように、楕円カム部５０を用いて中間歯車部材３０を楕円形状に変形させる場合、内歯１４、１７、２４と外歯３２、３４、３６とが周方向の一部で噛み合う箇所の数は２であるが、この噛み合う箇所の数は２に限られない。例えば、略Ｍ角形形状（Ｍ＝３、４、…）のカム部を用いて中間歯車部材３０を略Ｍ角形形状に変形させ、上述の噛み合い箇所の数がＭになるようにしてもよい。これによれば、内歯１４、１７、２４と外歯３２、３４、３６の噛み合い歯数を増やせるので、駆動ユニット１００による伝達可能な最大トルクを増やすことができる。なお、上述の略Ｍ角形形状には、目で見てほぼ円形にしか見えないほどわずかな変形のものも含まれる。

次に、図３を参照しながら、駆動ユニット１００の動作について説明する。なお、図３は、図１のＡ−Ａ断面で切断した駆動ユニット１００の断面図を概略的に表している。第２の歯車部材２０、中間歯車部材３０および楕円カム部５０の相対回転を説明するために、各部材２０、３０、５０の所定の位相に目印としてそれぞれ矢印を付している。

まず、図３（ａ）は、ある時点での駆動ユニット１００を示す。図３（ａ）に示すように、可撓性のある中間歯車部材３０は、楕円カム部５０によって楕円軸受４０を介して上下方向に長く、左右方向に短くなるように変形している。このとき、内歯１４、１７、２４と外歯３２、３４、３６が上下位置でそれぞれ噛み合っている。

次に、図３（ａ）の状態から楕円カム部５０がさらに回転すると、互いに歯数が同じ第１の歯車部材１０の第１および第２の内歯１４、１７と中間歯車部材３０の第３の外歯３６とが噛み合っているので、中間歯車部材３０自体は回転しない。楕円カム部５０によって楕円形状に変形された中間歯車部材３０は、楕円カム部５０の回転に伴って、その楕円形状の長軸の向きが回転する。したがって、中間歯車部材３０の外歯３２、３４、３６と、第１および第２の歯車部材１０、２０の内歯１４、１７、２４との噛み合う箇所が周方向に移動する。このとき、中間歯車部材３０の第１および第２の外歯３２、３４は、第１の歯車部材１０の第１および第２の内歯１４、１７と歯数が同じであるので、中間歯車部材３０は、第１の歯車部材１０に対して相対的に回転しない。一方、中間歯車部材３０の第３の外歯３６は、第２の歯車部材２０の第３の内歯２４と歯数が異なるので、中間歯車部材３０は、第２の歯車部材２０に対して相対的に回転する。したがって、第２の歯車部材２０は、第１の歯車部材１０に対して相対的に回転する。

例えば、図３（ｂ）に示すように、楕円カム部５０が時計回りに９０°回転すると、該回転に応じて、中間歯車部材３０が左右方向に長く、上下方向に短い楕円形状に変形し、内歯１４、１７、２４と外歯３２、３４、３６が左右位置で噛み合う。このとき、本実施の形態１の場合、第１の歯車部材１０はベース部材８０に固定され、第２の歯車部材２０は中間歯車部材３０よりも歯数が多いので、第２の歯車部材２０は、その位相が（第２の歯車部材２０の第３の内歯２４と中間歯車部材３０の第３の外歯３６の歯数差）×９０／３６０（（１０２−１００）×９０／３６０＝０．５歯分）だけ時計回りに回る。

さらに、図３（ｃ）に示すように、楕円カム部５０が時計回りに３６０°回転すると、図３（ａ）と同様に、中間歯車部材３０が上下方向に長く、左右方向に短い楕円形状に変形し、内歯１４、１７、２４と外歯３２、３４、３６が上下位置で噛み合う。このとき、本実施の形態１の場合、第２の歯車部材２０は、その位相がちょうど第２の歯車部材２０と中間歯車部材３０の歯数差（１０２−１００＝２歯分）だけ時計回りに回る。

その後も同様に、楕円カム部５０が１回転する毎に、第２の歯車部材２０がベース部材８０に対して第２の歯車部材２０と中間歯車部材３０の歯数差だけ相対的に回転する。したがって、本実施の形態１のように、第１の歯車部材１０をベース部材８０に固定し、第２の歯車部材２０を出力部とした場合には、両歯車部材２０、３０の歯数差に応じて減速して回転させた第２の歯車部材２０から出力を取り出すことができる。

ここで、出力部に作用する負荷トルクに対する駆動ユニット１００のねじり剛性について、第２の歯車部材２０を出力部とした場合を例として、図４を参照しながら説明する。なお、図４は、中間歯車部材３０が負荷トルクによりねじれた状態を概念的に示した斜視図である。

図４（ａ）に示すように、楕円カム部５０が加速する際、例えば、楕円カム部５０が停止状態から回転状態に移行する際、第２の歯車部材２０（第３の内歯２４）は、楕円カム部５０の回転方向と同方向（点線矢印を参照）に回転し始める。このとき、第２の歯車部材２０には、回転方向と逆方向（実線矢印を参照）に負荷トルクが作用する。つまり、中間歯車部材３０は軸方向の中央部に両端とは逆方向の力を受けるので、楕円カム部５０の外形状に沿って楕円形状に変形されていた中間歯車部材３０の第３の外歯３６が変形し、軸方向に延びる中間歯車部材３０は、第３の外歯３６の部分が両端にある第１および第２の外歯３２、３４の部分に対して最もねじれた状態となる。このときの最大ねじれ角をθとする。なお、楕円カム部５０も負荷トルクによってねじられるが、可撓性のある中間歯車部材３０に比べて剛性のある楕円カム部５０のねじれ角は非常に小さい。

次に、図４（ｂ）に示すように、中間歯車部材３０’が第１の歯車部材１０’と軸方向の一端（第１の外歯３２’と第１の内歯１４’）のみで噛み合うと共に、中間歯車部材３０’が第２の歯車部材２０’と軸方向の他端（第３の外歯３６’と第３の内歯２４’）のみで噛み合う構成とした駆動ユニット１００’を比較例として検討する。この比較例の場合、第２の歯車部材２０’には、回転方向と逆方向に負荷トルクが作用する。つまり、中間歯車部材３０’が両端部で逆方向の力を受けるので、楕円形状に変形されていた中間歯車部材３０’の第３の外歯３６’が変形し、軸方向に延びる中間歯車部材３０’は、一端にある第３の外歯３６’の部分が他端にある第１の外歯３２’の部分に対して最もねじれた状態となる。このときの最大ねじれ角をθ’とする。なお、薄肉カップ状のフレクスプラインを有する従来の駆動ユニットは、通常、フレクスプラインの一端がサーキュラスプラインに対して相対的に固定されており、この比較例と同様の構成を備えるものである。

ここで、これら駆動ユニット１００、１００’のねじり剛性を比較検討する。一般に、棒材をねじる場合、棒材の一端を固定して他端をねじる場合に比べて、棒材の両端を固定して中央部をねじる場合の方がねじり難い。したがって、中間歯車部材３０’の第３の外歯３６’に対して他端にある第１の外歯３２’のみが固定された駆動ユニット１００’よりも、中間歯車部材３０の第３の外歯３６の両端にある第１および第２の外歯３２、３４が固定された駆動ユニット１００の方が、中間歯車部材３０（３０’）がねじれ難い（θ＜θ’）。したがって、本実施の形態１の駆動ユニット１００の方がねじれ剛性が高く、負荷トルクによる回転精度への影響が少ない。

したがって、本実施の形態１の場合、中間歯車部材３０と第１の歯車部材１０とが軸方向の両端で噛み合い、その中央部で中間歯車部材３０と第２の歯車部材２０とが噛み合う構成にすることで、中間歯車部材３０がねじれ難く、高い回転精度でトルクを伝達することができる。

以上により、実施の形態１の駆動ユニット１００によれば、波動歯車装置に電動モータ６０を組み込む構成とすることで小型軽量化を図りながら、ねじり剛性を高めることができるので、高い回転精度の位置決めが可能となる。

また、本実施の形態１の駆動ユニット１００の場合、曲げ剛性も向上している。すなわち、出力部である第２の歯車部材２０は、第２の歯車部材２０の第３の内歯２４、中間歯車部材３０の第１乃至第３の外歯３２、３４、３６、第１の歯車部材１０の第１および第２の内歯１４、１７を介して、ベース部材８０により支持されている。加えて、第２の歯車部材２０は、第２の歯車部材２０の第３の内歯２４、中間歯車部材３０の第１乃至第３の外歯３２、３４、３６、電動モータ６０、第１の歯車部材１０の中心軸部１１を介して、ベース部材８０により支持されている。このため、従来技術のようにアクチュエータのみで出力部を支持する場合と比べて曲げ剛性を高くできる。また、中間歯車部材３０を剛性のある第１の歯車部材１０で支持しており、従来の薄肉カップ状の部品を用いて支持する場合と比べて曲げ剛性を高くできる。このように曲げ剛性が向上したことで、従来のように出力部の曲がり、傾き、偏心等が生じ難い。したがって、本実施の形態１の場合、上述の曲がり、傾き、偏心等に起因する振動やエネルギ損失を低減する効果も有する。

さらに、本実施の形態１の駆動ユニット１００によれば、アクチュエータとして双方向に回転可能な電動モータ６０を用いているので、バックドライバビリティを有する。さらに、本実施の形態１は、電動モータ６０を組み込んでいるので、電動モータの回転軸に歯車減速機を連結した従来の駆動ユニットに比べて、特に軸長が短縮され、更なる小型化を実現できる。

実施の形態２．
実施の形態１では、波動歯車装置に電動モータを組み込んだ駆動ユニット１００について説明したが、次に、実施の形態２として、遊星歯車装置に電動モータを組み込んだ駆動ユニット２００の構成について、図５から図７を参照しながら説明する。なお、実施の形態１と同様の機能、作用を有する構成部材については、説明を省略し、図面には同じ符号を付す。

図５（ａ）に示すように、駆動ユニット２００は、上述の駆動ユニット１００と同様に、ベース部材８０と被回転体（図示しない）の間に設けられ、被回転体をベース部材８０に対して相対的に回転させる装置であり、その回転は、回転軸線１を中心として行われる。駆動ユニット２００は、主要な構成部品として、剛性のある材料で形成された第１および第２の歯車部材１０、２０を有し、これら第１および第２の歯車部材１０、２０は、駆動ユニット１００と同様の構成をそれぞれ備える。

駆動ユニット２００は、上述の第１の歯車部材１０と第２の歯車部材２０によって囲まれた円環状の空間を有する。この空間内には、剛性のある円筒状の中間歯車部材１３０が設けられると共に、さらにその中間歯車部材１３０の内側に駆動部１７０が設けられている。中間歯車部材１３０は、その軸方向の長さが、第１の歯車部材１０の第１および第２の円盤部１２、１５の対向する端面間の距離よりもわずかに短く、その中心線が回転軸線１と同軸であって、第１および第２の円盤部１２、１５の間に軸方向に隙間を介して配置される。また、中間歯車部材１３０は、その外周面に第１、第２および第３の外歯１３２、１３４、１３６が軸方向に順に形成されており、第１の歯車部材１０と第２の歯車部材２０の内径よりも小さな外径を備える。

図５（ｂ）に示すように、第１の歯車部材１０の第１および第２の内歯１４、１７は、軸方向に互いに離間しており、これら第１および第２の内歯１４、１７の間に、第２の歯車部材２０の第３の内歯２４が同軸状態で配置されている。後述するように中間歯車部材１３０が偏心した状態では、中間歯車部材１３０の第１および第２の外歯３２、３４は、第１の歯車部材１０の第１および第２の内歯１４、１７とそれぞれ周方向の一部で噛み合うと共に、中間歯車部材１３０の第３の外歯１３６は、第２の歯車部材２０の第３の内歯２４と周方向の一部で噛み合うように構成されている。すなわち、中間歯車部材１３０は、その軸方向の両端で第１の歯車部材１０と噛み合い、その軸方向の中央で第２の歯車部材２０と噛み合う構成を備えている。

これらの内歯１４、１７、２４および外歯１３２、１３４、１３６は、第１の内歯１４と第１の外歯１３２の歯数比と、第２の内歯１７と第２の外歯１３４の歯数比とは、互いに等しく、かつ、それぞれ、第３の内歯２４と第３の外歯１３６の歯数比とは異なるように設けられている。また、通常、互いに噛み合う内歯と外歯に歯数差を設ける場合、外歯に対して内歯の歯数を２ｎ（ｎは正の整数）だけ少なくする。前述の歯車比の条件を満たす例として、本実施の形態１では、第１および第２の内歯１４、１７と第１乃至第３の外歯１３２、１３４、１３６の歯数を１００、第３の内歯２４の歯数を１０２とする。

図６に示すように、駆動部１７０は、中間歯車部材１３０の内側に軸受１４０を有する。軸受１４０は、その外形が円形状の一般的な軸受であり、外輪１４１、転動体１４２および内輪１４３で主に構成されている。本実施の形態２の場合、外輪１４１は、その外周面で中間歯車部材１３０の内側に嵌合する剛性のある材料で形成されている。内輪１４３は、その内周面で後述する偏心カム部１５０の外側に嵌合可能に構成されている。また、外輪１４１と内輪１４３の間には、外輪１４１と内輪１４３が互いに相対回転可能とするため、球状の転動体１４２が複数設けられている。なお、転動体１４２は、球状の形状に限らず、例えば円筒状のものであってもよい。また、図５では、転動体１４２が軸方向に３列並んで設けられているが、これに限るものではない。

また、駆動部１７０は、軸受１４０の内側に偏心カム部１５０を有する。偏心カム部１５０は、回転軸線１から偏心した円形状の外形を有する筒状のカムであり、軸受１４０の内輪１４３に嵌合して配置される。また、偏心カム部１５０は、回転軸線１を中心とする円形状の貫通穴を有し、該貫通穴に後述する電動モータ６０のロータ６２の外側に嵌合可能な内周面を備える。

さらに、駆動部１７０は、偏心カム部１５０の内側に電動モータ６０を有する。図６に示すように、駆動ユニット２００に設けられた電動モータ６０も、上述の駆動ユニット１００と同様の構成を備えるが、本実施の形態２の場合、ロータ６２の外周に偏心カム部１５０が固定されている。

次に、図７を参照しながら、駆動ユニット２００の動作について説明する。なお、図７は、図５のＡ−Ａ断面で切断した駆動ユニット２００の断面図を概略的に表している。第２の歯車部材２０、中間歯車部材１３０および偏心カム部１５０の相対回転を説明するために、各部材２０、１３０、１５０の所定の位相に目印としてそれぞれ矢印を付している。

まず、図７（ａ）は、ある時点での駆動ユニット２００を示す。図７（ａ）に示すように、中間歯車部材１３０は、偏心カム部１５０によって軸受１４０を介して上方に偏心されている。このとき、内歯１４、１７、２４と外歯１３２、１３４、１３６が上位置でそれぞれ噛み合っている。

次に、図７（ａ）の状態から偏心カム部１５０がさらに回転すると、互いに歯数が同じ第１の歯車部材１０の第１および第２の内歯１４、１７と中間歯車部材１３０の第３の外歯１３６とが噛み合っているので、中間歯車部材１３０はその中心に対して回転（自転）しない。偏心カム部１５０によって偏心されている中間歯車部材１３０は、偏心カム部１５０の回転に伴って、その中心が揺動回転（公転）する。したがって、中間歯車部材１３０の外歯１３２、１３４、１３６と、第１および第２の歯車部材１０、２０の内歯１４、１７、２４との噛み合う箇所が周方向に移動する。このとき、中間歯車部材１３０の第１および第２の外歯１３２、１３４は、第１の歯車部材１０の第１および第２の内歯１４、１７と歯数が同じであるので、中間歯車部材１３０は、第１の歯車部材１０に対して相対的に回転しない。一方、中間歯車部材１３０の第３の外歯１３６は、第２の歯車部材２０の第３の内歯２４と歯数が異なるので、中間歯車部材１３０は、第２の歯車部材２０に対して相対的に回転する。したがって、第２の歯車部材２０は、第１の歯車部材１０に対して相対的に回転する。

例えば、図７（ｂ）に示すように、偏心カム部１５０が時計回りに９０°回転すると、該回転に応じて、中間歯車部材１３０が右方に偏心され、内歯１４、１７、２４と外歯１３２、１３４、１３６が右位置で噛み合う。このとき、本実施の形態２の場合、第１の歯車部材１０はベース部材８０に固定され、第２の歯車部材２０は中間歯車部材１３０よりも歯数が多いので、第２の歯車部材２０は、その位相が（第２の歯車部材２０の第３の内歯２４と中間歯車部材１３０の第３の外歯１３６の歯数差）×９０／３６０（（１０２−１００）×９０／３６０＝０．５歯分）だけ時計回りに回る。

さらに、図７（ｃ）に示すように、偏心カム部１５０が時計回りに３６０°回転すると、図７（ａ）と同様に、中間歯車部材１３０が上方に偏心され、内歯１４、１７、２４と外歯１３２、１３４、１３６が上位置で噛み合う。このとき、本実施の形態２の場合、第２の歯車部材２０は、その位相がちょうど第２の歯車部材２０と中間歯車部材１３０の歯数差（１０２−１００＝２歯分）だけ時計回りに回る。

その後も同様に、偏心カム部１５０が１回転する毎に、第２の歯車部材２０がベース部材８０に対して第２の歯車部材２０と中間歯車部材１３０の歯数差だけ相対的に回転する。したがって、本実施の形態２のように、第１の歯車部材１０をベース部材８０に固定し、第２の歯車部材２０を出力部とした場合には、両歯車部材２０、３０の歯数差に応じて減速して回転させた第２の歯車部材２０から出力を取り出すことができる。

ここで、出力部に作用する負荷トルクに対する駆動ユニット２００のねじり剛性について、第２の歯車部材２０を出力部とした場合を例として、図８を参照しながら説明する。なお、図８は、中間歯車部材１３０が負荷トルクによりねじれた状態を概念的に示した斜視図である。

図８（ａ）に示すように、偏心カム部１５０が加速する際、例えば、楕円カム部５０が停止状態から回転状態に移行する際、第２の歯車部材２０（第３の内歯２４）は、偏心カム部１５０の回転方向と同方向（点線矢印を参照）に回転し始める。このとき、第２の歯車部材２０と偏心カム部１５０には、回転方向と逆方向（実線矢印を参照）に負荷トルクが作用する。つまり、中間歯車部材１３０と偏心カム部１５０は軸方向の中央部に両端とは逆方向の力を受けるので、軸方向に延びる中間歯車部材１３０は、第３の外歯１３６の部分が両端にある第１および第２の外歯１３２、１３４の部分に対して最もねじれた状態となる。このときの中間歯車部材１３０の最大ねじれ角をθとする。

次に、図８（ｂ）に示すように、中間歯車部材１３０’が第１の歯車部材１０’と軸方向の一端（第１の外歯１３２’と第１の内歯１４’）のみで噛み合うと共に、中間歯車部材１３０’が第２の歯車部材２０’と軸方向の他端（第３の外歯１３６’と第３の内歯２４’）のみで噛み合う構成とした駆動ユニット２００’を比較例として検討する。この比較例の場合、第２の歯車部材２０’と偏心カム部１５０’には、回転方向と逆方向に負荷トルクが作用する。つまり、中間歯車部材１３０’と偏心カム部１５０’が両端部で逆方向の力を受けるので、軸方向に延びる中間歯車部材１３０’は、一端にある第３の外歯１３６’の部分が他端にある第１の外歯１３２’の部分に対して最もねじれた状態となる。このときの中間歯車部材１３０’の最大ねじれ角をθ’とする。

ここで、これら駆動ユニット２００、２００’のねじり剛性を比較検討する。一般に、棒材をねじる場合、棒材の一端を固定して他端をねじる場合に比べて、棒材の両端を固定して中央部をねじる場合の方がねじり難い。したがって、中間歯車部材１３０’の第３の外歯１３６’に対して他端にある第１の外歯１３２’のみが固定された駆動ユニット２００’よりも、中間歯車部材１３０の第３の外歯１３６の両端にある第１および第２の外歯１３２、１３４が固定された駆動ユニット２００の方が、中間歯車部材１３０（１３０’）がねじれ難い（θ＜θ’）。したがって、本実施の形態２の駆動ユニット２００の方がねじれ剛性が高く、負荷トルクによる回転精度への影響が少ない。

したがって、本実施の形態２の場合、中間歯車部材１３０と第１の歯車部材１０とが軸方向の両端で噛み合い、その中央部で中間歯車部材１３０と第２の歯車部材２０とが噛み合う構成にすることで、中間歯車部材１３０がねじれ難く、高い回転精度でトルクを伝達することができる。

以上により、実施の形態２の駆動ユニット２００によれば、波動歯車装置に電動モータ６０を組み込む構成とすることで小型軽量化を図りながら、ねじり剛性を高めることができるので、高い回転精度の位置決めが可能となる。

なお、本発明は例示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良および設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

例えば、本実施の形態１、２は、第１の歯車部材１０をベース部材８０に固定したが、第２の歯車部材２０をベース部材８０に固定して、第１の歯車部材１０を出力部としてもよい。この場合も同様に、出力部の支持部のねじり剛性を高くできるので、高い回転精度の位置決めが可能となる。

また、本実施の形態２は、遊星歯車装置として、いわゆる揺動内接式の遊星歯車装置（K-H-V型遊星歯車、ハイポサイクロイド減速機ともいう）を用いたが、これに限るものではなく、他のタイプの遊星歯車装置、例えば、円弧歯形とローラを用いたサイクロ減速機（登録商標）などを用いてもよい。サイクロ減速機（登録商標）を用いた場合、ローラによって滑り接触が転がり接触に変換されるので、機械的損失が非常に小さく、極めて高いギヤ効率が得られる。

以上のように、本発明によれば、波動歯車装置、遊星歯車装置等の歯車減速機に電動モータを組み込んだ駆動ユニットにおいて、更に回転精度を向上できるので、産業用ロボットや工作機械等の技術分野において好適に利用される可能性がある。

１０ 第１の歯車部材、１４ 第１の内歯、１７ 第２の内歯、１１ 中心軸部、１８ 穴部、２０ 第２の歯車部材、２４ 第３の内歯、３０ 中間歯車部材（可撓性中間歯車部材）、３２、１３２ 第１の外歯、３４、１３４ 第２の外歯、３６、１３６ 第３の外歯、５０ 楕円カム部、６０ 電動モータ、６２ ロータ、６４ ステータ、６６ 永久磁石、１３０ 中間歯車部材（剛性中間歯車部材）、１５０ 偏心カム部

Claims (3)

1. 第１および第２の内歯が軸方向に互いに離間して同軸に形成され、前記第１および第２の内歯が中心軸部を介して一体的に構成された第１の歯車部材と、
   前記第１および第２の内歯の間に同軸に配置される第３の内歯が形成された第２の歯車部材と、
   前記第１、第２および第３の内歯とそれぞれ周方向の一部で噛み合う第１、第２および第３の外歯が同軸に形成された円筒状の剛性中間歯車部材と、
   前記剛性中間歯車部材の内側に回転可能に設けられ、前記中心軸部の中心から偏心した偏心カム部が外周に設けられた円筒状のロータと、該ロータの内側に空隙を介して配置され、前記中心軸部に固定されたステータとを有する電動モータと、を備え、
   前記第１の内歯と前記第１の外歯の歯数比と、前記第２の内歯と前記第２の外歯の歯数比とは、互いに等しく、かつ、それぞれ、前記第３の内歯と前記第３の外歯の歯数比とは異なり、
   前記電動モータの回転駆動により、前記剛性中間歯車部材の前記第１乃至第３の外歯がそれぞれ前記第１乃至第３の内歯と周方向の一部で噛み合う箇所を周方向に移動させるように、前記偏心カム部の偏心回転により前記剛性中間歯車部材を揺動回転させ、前記第１の歯車部材と前記第２の歯車部材が相対回転する
   ことを特徴とする駆動ユニット。
2. 前記ステータは、前記中心軸部に嵌合され、軸方向に積層された電磁鋼板からなる円環状の鉄心を有し、
   前記ロータは、その内周面に周方向に等間隔に配置され、前記鉄心の外周面に対向して設けられた複数の永久磁石を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動ユニット。
3. 前記第１の歯車部材は、前記中心軸部に軸方向に延びる穴部が形成されており、
   前記電動モータは、前記穴部を通した配線を介して前記ステータに電力が供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動ユニット。

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