特開 2024-5670 歯車ユニット、波動歯車装置、ロボット、および歯車ユニットの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024005670

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【発明の名称】歯車ユニット、波動歯車装置、ロボット、および歯車ユニットの製造方法

(51)【国際特許分類】

   F16H 1/32 20060101AFI20240110BHJP

【ＦＩ】

F16H1/32 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022105952

(22)【出願日】2022-06-30

(71)【出願人】

【識別番号】000232302

【氏名又は名称】ニデック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135013

【弁理士】

【氏名又は名称】西田 隆美

(72)【発明者】

【氏名】塩野 郁弥

(72)【発明者】

【氏名】前田 賢司

【テーマコード（参考）】

3J027

【Ｆターム（参考）】

3J027FA37

3J027FB32

3J027GB03

3J027GC07

3J027GC22

3J027GD04

3J027GD07

3J027GD08

3J027GD12

3J027GD13

3J027GE01

(57)【要約】      （修正有）

【課題】可撓性歯車の応力集中による劣化を抑制する。
【解決手段】波動歯車装置の歯車ユニット１９は、可撓性歯車２０と、可撓性歯車に固定されたブッシュ２６およびスペーサ２７を有する。可撓性歯車は、板状のダイヤフラム部２１と、曲げ部２２と、筒状の胴部と、複数の外歯を有する。曲げ部は、ダイヤフラム部の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向一方側へ曲がる。胴部は、曲げ部の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延びる。複数の外歯は、胴部の外周面に設けられる。ブッシュは、中心軸に対して垂直に広がるとともに、ダイヤフラム部の軸方向一方側の面に接触する第１接触面を有する。スペーサは、中心軸に対して垂直に広がるとともに、ダイヤフラム部の軸方向他方側の面に接触する第２接触面を有する。第１接触面の径方向外側の端部および第２接触面の径方向外側の端部は、ダイヤフラム部と曲げ部の境界に位置する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

波動歯車装置に使用される歯車ユニットであって、
可撓性歯車と、
前記可撓性歯車に固定されたブッシュおよびスペーサと、
を有し、
前記可撓性歯車は、
中心軸に対して垂直に広がる板状のダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向一方側へ曲がる曲げ部と、
前記曲げ部の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延びる筒状の胴部と、
前記胴部の外周面に設けられた複数の外歯と、
を有し、
前記ブッシュは、
前記中心軸に対して垂直に広がるとともに、前記ダイヤフラム部の軸方向一方側の面に接触する第１接触面
を有し、
前記スペーサは、
前記中心軸に対して垂直に広がるとともに、前記ダイヤフラム部の軸方向他方側の面に接触する第２接触面
を有し、
前記第１接触面の径方向外側の端部および前記第２接触面の径方向外側の端部は、前記ダイヤフラム部と前記曲げ部の境界に位置する、歯車ユニット。

【請求項2】

請求項１に記載の歯車ユニットであって、
前記胴部は、
前記曲げ部の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延びる第１胴部と、
前記第１胴部の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延び、前記複数の外歯の径方向内側に位置する第２胴部と、
を含み、
前記第１胴部の径方向の厚みは、前記ダイヤフラム部の軸方向の厚みよりも薄く、
前記曲げ部の厚みが、前記ダイヤフラム部から前記第１胴部へ向かうにつれて、徐々に薄くなる、歯車ユニット。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の歯車ユニットであって、
前記ブッシュは、
前記第１接触面の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向一方側へ曲がる第１湾曲面
をさらに有し、
前記第１湾曲面の曲率半径は、前記曲げ部の曲率半径よりも小さい、歯車ユニット。

【請求項4】

請求項１または請求項２に記載の歯車ユニットであって、
前記スペーサは、
前記第２接触面の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向他方側へ曲がる第２湾曲面
をさらに有する、歯車ユニット。

【請求項5】

請求項１または請求項２に記載の歯車ユニットであって、
前記可撓性歯車は絞り加工品である、歯車ユニット。

【請求項6】

請求項１または請求項２に記載の歯車ユニットであって、
前記可撓性歯車は、オーステナイト系のステンレス鋼により形成されている、歯車ユニット。

【請求項7】

請求項６に記載の歯車ユニットであって、
前記ステンレス鋼の加工硬化指数であるｎ値は、０．３以上である、歯車ユニット。

【請求項8】

請求項１または請求項２に記載の歯車ユニットであって、
前記曲げ部は、表面に複数のディンプルを有する、歯車ユニット。

【請求項9】

請求項１または請求項２に記載の歯車ユニットと、
前記胴部の径方向内側に配置された波動発生器と、
前記胴部の径方向外側に配置された剛性歯車と、
を備え、
前記剛性歯車は、内周面に複数の内歯を有し、
前記複数の外歯の一部と、前記複数の内歯の一部とが噛み合う、波動歯車装置。

【請求項10】

請求項９に記載の波動歯車装置を備えたロボット。

【請求項11】

波動歯車装置に使用される歯車ユニットの製造方法であって、
ａ）可撓性歯車を作製する工程と、
ｂ）前記可撓性歯車にブッシュおよびスペーサを固定する工程と、
を有し、
前記可撓性歯車は、
中心軸に対して垂直に広がる板状のダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向一方側へ曲がる曲げ部と、
前記曲げ部の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延びる筒状の胴部と、
前記胴部の外周面に設けられた複数の外歯と、
を有し、
前記工程ａ）では、金属板を絞り加工することにより、前記曲げ部および前記胴部を形成し、
前記工程ｂ）では、
前記ダイヤフラム部の軸方向一方側の面に、前記ブッシュの軸方向他方側の面である第１接触面を接触させるとともに、
前記ダイヤフラム部の軸方向他方側の面に、前記スペーサの軸方向一方側の面である第２接触面を接触させ、
前記第１接触面の径方向外側の端部および前記第２接触面の径方向外側の端部を、前記ダイヤフラム部と前記曲げ部の境界に配置する、歯車ユニットの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、歯車ユニット、波動歯車装置、ロボット、および歯車ユニットの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、可撓性歯車と剛性歯車とを備える波動歯車装置が知られている。この種の波動歯車装置は、主に減速機として用いられる。従来の波動歯車装置については、例えば、特開２０１７－１８０４８６号公報および特開２０１８－０８７６１１号公報に開示されている。

【0003】

特開２０１７－１８０４８６号公報および特開２０１８－０８７６１１号公報の歯車装置（１）が備える可撓性歯車（３）は、一端が開口したカップ状をなし、その開口側の端部に外歯（３３）が形成されている。また、可撓性歯車（３）は、軸線（ａ）まわりの円筒状の胴部（３１）と、胴部（３１）の軸線（ａ）方向での他端部側に接続されている底部（３２）とを有する。これにより、胴部（３１）の底部（３２）とは反対側の端部を径方向に撓み易くし、剛性歯車（２）に対する可撓性歯車（３）の良好な撓み噛み合いを実現する。また、底部（３２）には、入力軸や出力軸が接続される。

【0004】

また、可撓性歯車（３）は、金属製の円柱状の素材（１０）に、据え込鍛造工程や絞り加工工程を行うことにより、形成される。据え込鍛造工程においては、素材（１０）が軸線方向（α）に加圧されることによって、円板状の板体（１１）が形成される。絞り加工工程においては、板体（１１）が絞り加工されることによって、胴部（３１）および底部（３２）を有する筒体（１２）が形成される。さらに、転造等によって、筒体（１２）に外歯（３３）が形成される。

【特許文献1】特開２０１７－１８０４８６号公報

【特許文献2】特開２０１８－０８７６１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特に絞り加工によって可撓性歯車を形成する場合、作業の性質上、底部の厚みが略一定となる。このため、波動歯車装置の駆動時に、可撓性歯車が剛性歯車と噛み合いながら撓み、回転する際に、可撓性歯車において変形による応力が局所的に集中する箇所が発生する。この場合、波動歯車装置を長期間駆動することにより、可撓性歯車の劣化に繋がる虞がある。

【0006】

本発明の目的は、底部の厚みが略一定である可撓性歯車の耐久性を向上させることにより、可撓性歯車が長期間に亘って剛性歯車と噛み合いながら撓み、回転する場合でも、可撓性歯車の劣化を抑制できる技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、波動歯車装置に使用される歯車ユニットであって、可撓性歯車と、前記可撓性歯車に固定されたブッシュおよびスペーサと、を有し、前記可撓性歯車は、中心軸に対して垂直に広がる板状のダイヤフラム部と、前記ダイヤフラム部の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向一方側へ曲がる曲げ部と、前記曲げ部の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延びる筒状の胴部と、前記胴部の外周面に設けられた複数の外歯と、を有し、前記ブッシュは、前記中心軸に対して垂直に広がるとともに、前記ダイヤフラム部の軸方向一方側の面に接触する第１接触面を有し、前記スペーサは、前記中心軸に対して垂直に広がるとともに、前記ダイヤフラム部の軸方向他方側の面に接触する第２接触面を有し、前記第１接触面の径方向外側の端部および前記第２接触面の径方向外側の端部は、前記ダイヤフラム部と前記曲げ部の境界に位置する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、可撓性歯車の底部を形成する板状のダイヤフラム部を、ブッシュとスペーサとの間に挟むことにより、波動歯車装置の駆動時に、ダイヤフラム部が撓むことを抑制できる。また、波動歯車装置の駆動時に、可撓性歯車の変形による応力を曲げ部に作用させることができる。これにより、可撓性歯車において応力が集中することによる劣化を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本発明の例示的な実施形態に係る波動歯車装置の縦断面図である。

【図2】図２は、本発明の例示的な実施形態に係る波動歯車装置の横断面図である。

【図3】図３は、本発明の例示的な実施形態に係る歯車ユニットの部分縦断面図である。

【図4】図４は、本発明の例示的な実施形態に係る歯車ユニットの製造手順を示すフローチャートである。

【図5】図５は、本発明の例示的な実施形態に係る中間成形品の概要図である。

【図6】図６は、ロボットの概要図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本願の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、波動歯車装置の中心軸と平行な方向を「軸方向」、波動歯車装置の中心軸に直交する方向を「径方向」、波動歯車装置の中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。

【0011】

また、本願では、後述する図１および図３において、軸方向を左右方向とし、右側を「軸方向一方側」、左側を「軸方向他方側」として、各部の形状や位置関係を説明する。ただし、この左右方向の定義により、本発明に係る歯車ユニットを含む波動歯車装置の製造時または使用時の向きを限定する意図はない。また、本願において「平行な方向」とは、幾何学的に厳密に平行な場合に限定されない。発明の効果を奏する程度に平行であればよい。また、本願において「直交する方向」とは、幾何学的に厳密に直交する場合に限定されない。発明の効果を奏する程度に直交であればよい。

【0012】

＜１．波動歯車装置の構成＞
以下では、本発明の例示的な実施形態に係る波動歯車装置１００の構成について説明する。図１は、本発明の例示的な実施形態に係る波動歯車装置１００の縦断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ位置から見たときの波動歯車装置１００の横断面図である。

【0013】

波動歯車装置１００は、後述する剛性歯車１０と可撓性歯車２０との差動を利用して、入力された回転運動を変速する装置である。本実施形態の波動歯車装置１００は、例えば、アクチュエータ等に組み込まれ、モータから得られる動力を減速する減速機として用いられる。ただし、波動歯車装置１００は、小型ロボットの関節等の様々な装置に組み込まれて、各種の回転運動を変速するものであってもよい。

【0014】

図１および図２に示すように、波動歯車装置１００は、剛性歯車１０と、歯車ユニット１９と、波動発生器３０とを有する。また、波動歯車装置１００には、外部から動力を得るための入力軸（図示省略）が設けられている。入力軸は、例えば、モータの回転部に接続され、中心軸Ｃ１を中心として軸方向に円柱状に延びる。また、入力軸は、モータの回転部とともに、中心軸Ｃ１を中心として回転する。

【0015】

剛性歯車１０は、中心軸Ｃ１を中心として円環状に拡がる部材である。剛性歯車１０は、可撓性歯車２０の後述する胴部２３の径方向外側に配置される。剛性歯車１０の剛性は、剛性歯車１０の径方向内側に配置される可撓性歯車２０の後述する第２胴部２３２の剛性よりも、はるかに高い。したがって、剛性歯車１０は、実質的に剛体とみなすことができる。図２に示すように、剛性歯車１０は、内周面に、複数の内歯１１を有する。複数の内歯１１は、それぞれ、径方向内方へ突出する。また、複数の内歯１１は、周方向に沿って、一定のピッチで配列される。本実施形態では、剛性歯車１０は、波動歯車装置１００が搭載される装置の枠体に固定される。

【0016】

図３は、本発明の例示的な実施形態に係る歯車ユニット１９の部分縦断面図である。図１～図３に示すように、歯車ユニット１９は、可撓性歯車２０と、ブッシュ２６と、スペーサ２７とを有する。本実施形態では、可撓性歯車２０、ブッシュ２６、およびスペーサ２７はそれぞれ、オーステナイト系のステンレス鋼により形成される。また、可撓性歯車２０は、板状のダイヤフラム部２１と、曲げ部２２と、筒状の胴部２３と、複数の外歯２４とを有する。なお、詳細を後述するとおり、可撓性歯車２０は、絞り加工により形成される。すなわち、可撓性歯車２０は、絞り加工品である。

【0017】

ダイヤフラム部２１は、中心軸Ｃ１に対して垂直に広がる部位である。また、ダイヤフラム部２１は、中心軸Ｃ１の周囲に円環状かつ平板状に拡がる。ダイヤフラム部２１は、胴部２３の後述する第２胴部２３２よりも剛性が高く、撓み難い。また、ダイヤフラム部２１の軸方向の厚みｄ１（図３参照）は、ダイヤフラム部２１全体に亘って、略一定である。ダイヤフラム部２１には、中心孔２１０と、複数の貫通孔２１１とが、形成されている。中心孔２１０は、中心軸Ｃ１に沿って、ダイヤフラム部２１を軸方向に貫通する。複数の貫通孔２１１はそれぞれ、中心孔２１０よりも径方向外側において、中心軸Ｃ１と平行に、ダイヤフラム部２１を軸方向に貫通する。また、複数の貫通孔２１１は、中心軸Ｃ１の周囲において、互いに周方向に等間隔に形成されている。

【0018】

曲げ部２２は、ダイヤフラム部２１の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向一方側へ曲がる部位である。図３において、ダイヤフラム部２１と曲げ部２２との境界は、二点鎖線Ｂ１で示される。

【0019】

胴部２３は、曲げ部２２の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延びる筒状の部位である。胴部２３は、中心軸Ｃ１の周囲において、中心軸Ｃ１に沿って筒状に延びる。図１に示すように、胴部２３は、第１胴部２３１と、第２胴部２３２とを含む。

【0020】

第１胴部２３１は、曲げ部２２の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延びる部位である。図３において、第１胴部２３１と曲げ部２２との境界は、二点鎖線Ｂ２で示される。第２胴部２３２は、第１胴部２３１の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延び、複数の外歯２４の径方向内側に位置する部位である。また、第２胴部２３２は、剛性歯車１０の径方向内側に配置される。また、第２胴部２３２は、可撓性を有し、径方向に撓み可能である。

【0021】

複数の外歯２４は、胴部２３の外周面に設けられる。複数の外歯２４は、それぞれ、径方向外方へ突出する。複数の外歯２４は、周方向に沿って、一定のピッチで配列される。上記の剛性歯車１０が有する内歯１１の数と、可撓性歯車２０が有する外歯２４の数とは、僅かに相違する。

【0022】

ブッシュ２６は、中心軸Ｃ１に対して垂直に広がる部材である。ブッシュ２６は、フランジ部２６１と、固定部２６２とを有する。フランジ部２６１は、中心軸Ｃ１の周囲に円環状かつ平板状に拡がる部位である。フランジ部２６１は、ダイヤフラム部２１の軸方向一方側に配置され、ダイヤフラム部２１に接触する。これにより、図３に示すように、ブッシュ２６において、ダイヤフラム部２１の軸方向一方側の面に接触する第１接触面ＣＳ１が形成されている。また、フランジ部２６１には、複数の貫通孔２６０が形成されている。複数の貫通孔２６０はそれぞれ、中心軸Ｃ１と平行に、フランジ部２６１を軸方向に貫通する。また、複数の貫通孔２６０は、中心軸Ｃ１の周囲において、互いに周方向に等間隔に形成されている。

【0023】

また、図３に示すように、ブッシュ２６における径方向外側の端部付近には、第１湾曲面ＣＳ３が形成されている。第１湾曲面ＣＳ３は、第１接触面ＣＳ１の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向一方側へ曲がる。すなわち、本実施形態では、ブッシュ２６のうち可撓性歯車２０に近接する周縁部には、第１湾曲面ＣＳ３が形成され、滑らかな形状となっている。また、第１湾曲面ＣＳ３の曲率半径は、曲げ部２２の曲率半径よりも小さい。

【0024】

固定部２６２は、フランジ部２６１の径方向内側の端部から、中心軸Ｃ１に沿って軸方向他方側へ筒状に延びる部位である。固定部２６２は、ダイヤフラム部２１の中心孔２１０と、スペーサ２７の後述する中心孔２７０とを貫通する。固定部２６２の径方向内側には、例えば、減速後の動力を取り出すための出力軸（図示省略）が挿入される。出力軸の外周面には、例えば、雄ねじが形成される。固定部２６２の内周面には、例えば、雌ねじが形成される。出力軸は、固定部２６２の内周面に、ねじ止めにより固定される。

【0025】

スペーサ２７は、中心軸Ｃ１に対して垂直に広がる部材である。スペーサ２７は、中心軸Ｃ１の周囲に円環状かつ平板状に拡がる部位である。スペーサ２７は、ダイヤフラム部２１の軸方向他方側に配置され、ダイヤフラム部２１に接触する。これにより、図３に示すように、スペーサ２７において、ダイヤフラム部２１の軸方向他方側の面に接触する第２接触面ＣＳ２が形成されている。また、スペーサ２７には、中心孔２７０と、複数の締結孔２７１とが形成されている。中心孔２７０は、中心軸Ｃ１に沿って、スペーサ２７を軸方向に貫通する。複数の締結孔２７１はそれぞれ、中心孔２７０よりも径方向外側において、中心軸Ｃ１と平行に形成されている。複数の締結孔２７１はそれぞれ、スペーサ２７の軸方向一方側の面から他方側へ向かって形成されている。また、複数の締結孔２７１は、中心軸Ｃ１の周囲において、互いに周方向に等間隔に形成されている。

【0026】

また、図３に示すように、スペーサ２７における径方向外側の端部付近には、第２湾曲面ＣＳ４が形成されている。第２湾曲面ＣＳ４は、第２接触面ＣＳ２の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向他方側へ曲がる。すなわち、本実施形態では、スペーサ２７のうち可撓性歯車２０に近接する周縁部には、第２湾曲面ＣＳ４が形成され、滑らかな形状となっている。

【0027】

ダイヤフラム部２１は、複数の貫通孔２１１のそれぞれと、ブッシュ２６の複数の貫通孔２６０のそれぞれと、を貫通する複数の締結部材２８を、スペーサ２７の複数の締結孔２７１に締結することにより、ブッシュ２６およびスペーサ２７に固定される。すなわち、ブッシュ２６およびスペーサ２７はそれぞれ、ダイヤフラム部２１を有する可撓性歯車２０に固定される。このように、ブッシュ２６とスペーサ２７の間にダイヤフラム部２１を挟みつつ固定することにより、波動歯車装置１００の駆動時に、ダイヤフラム部２１が撓むことを抑制できる。なお、上記の締結孔２７１は、例えば「ねじ孔」であり、締結部材２８は、例えば「ねじ」である。

【0028】

また、上記のとおり、ブッシュ２６の径方向内側には、減速後の動力を取り出すための出力軸（図示省略）が固定される。これにより、ダイヤフラム部２１を含む可撓性歯車２０と、ブッシュ２６およびスペーサ２７とを、出力軸に対して、相対回転不能に固定することができる。なお、可撓性歯車２０、ブッシュ２６、およびスペーサ２７を含む歯車ユニット１９のより詳細な構造および製造方法については、後述する。

【0029】

波動発生器３０は、可撓性歯車２０を撓み変形させるための機構である。波動発生器３０は、可撓性歯車２０の胴部２３の径方向内側に配置される。波動発生器３０は、非真円カム３１と、可撓軸受３２とを有する。

【0030】

非真円カム３１は、中心軸Ｃ１を中心として環状に拡がる部材である。本実施形態の非真円カム３１は、楕円形のカムプロフィールを有する。つまり、非真円カム３１は、周方向の位置によって異なる外径を有する。図１および図２に示すように、非真円カム３１は、可撓性歯車２０の第２胴部２３２の径方向内側に配置される。非真円カム３１の径方向内側には、上記の入力軸（図示省略）が、相対回転不能に固定される。入力軸および非真円カム３１は、外部のモータ等から得られる動力によって、減速前の回転数で回転する。

【0031】

可撓軸受３２は、内輪３２１と、複数のボール３２２と、弾性変形可能な外輪３２３とを有する。内輪３２１は、非真円カム３１の外周面に固定される。また、本実施形態では、外輪３２３は、可撓性歯車２０の第２胴部２３２の内周面に固定される。複数のボール３２２は、内輪３２１と外輪３２３との間に介在し、周方向に沿って配列される。外輪３２３は、回転する非真円カム３１のカムプロフィールを反映するように、内輪３２１およびボール３２２を介して弾性変形（撓み変形）する。

【0032】

このような構成の波動歯車装置１００において、上記の入力軸に動力が供給されると、入力軸および非真円カム３１が一体的に回転する。また、上記のとおり、非真円カム３１は、周方向の位置によって異なる外径を有する。これにより、可撓軸受３２を介して、可撓性歯車２０の第２胴部２３２の内周面が径方向内側から押されることにより、第２胴部２３２が楕円状に撓み変形する。これにより、図２に示すように、非真円カム３１および第２胴部２３２がなす楕円の長軸の両端の２箇所で、外歯２４と内歯１１とが噛み合う。一方、当該楕円の当該２箇所以外の位相位置では、外歯２４と内歯１１とは噛み合わない。つまり、本実施形態では、複数の外歯２４は、複数の内歯１１に対して、周方向において部分的に噛み合う。すなわち、本実施形態では、複数の外歯２４の一部と、複数の内歯１１の一部とが噛み合う。

【0033】

非真円カム３１が回転すると、非真円カム３１および第２胴部２３２がなす楕円の長軸の位置が周方向に移動するので、内歯１１と外歯２４との噛み合い位置も周方向に移動する。ここで、上記のとおり、剛性歯車１０が有する内歯１１の数と、可撓性歯車２０が有する外歯２４の数とは、僅かに相違する。このため、非真円カム３１の１回転ごとに、内歯１１と外歯２４との噛み合い位置が僅かに変化する。その結果、可撓性歯車２０は、剛性歯車１０に対して、当該内歯１１と外歯２４とのとの歯数の違いによって、相対回転する。これにより、波動歯車装置１００は、外部のモータ等から入力軸を介して波動発生器３０に入力された動力を減速して、可撓性歯車２０に固定された出力軸から出力することができる。

【0034】

＜２．歯車ユニットの詳細な構造および製造方法＞
次に、可撓性歯車２０、ブッシュ２６、およびスペーサ２７を含む歯車ユニット１９のより詳細な構造および製造方法について、説明する。図４は、歯車ユニット１９の製造手順を示すフローチャートである。

【0035】

図４に示すように、可撓性歯車２０を製造するときには、まず、可撓性歯車２０の母材となる金属板を準備する（ステップＳ１）。上記のとおり、可撓性歯車２０は、オーステナイト系のステンレス鋼を用いて形成される。すなわち、金属板には、オーステナイト系のステンレス鋼の材料が用いられる。一般に、これらのオーステナイト系のステンレス鋼は、面心立方格子の結晶構造を有し、比較的硬度が低い。しかしながら、オーステナイト系のステンレス鋼を冷間加工すると、塑性変形により誘起されてオーステナイトがマルテンサイトに変態し、加工硬化する。この結果、当該マルテンサイト相が形成された後の強度が高まる。なお、この変態量は、変形量に依存する。

【0036】

また、ステンレス鋼の加工硬化指数であるｎ値は、０．３以上である。すなわち、金属板には、加工硬化指数であるｎ値が、概ね０．３以上であるステンレス鋼が用いられる。ここで、ｎ値とは、例えば、ＪＩＳ Ｚ ２２５３：２０２０に従い、測定対象である各鋼板から、「ＪＩＳ１３号Ｂ引張試験片」を採取して引張試験を実施し、「荷重（引張強さ）－伸び曲線」から求まる「真応力（σ）－真歪み（ε）曲線」を近似的に「σ＝Ｆε^ｎ」で表したときの指数ｎ値として、両対数グラフに真応力（σ）－真歪み（ε）値をプロットしたときの傾きから、算出することができる。一般に、ｎ値が大きいほど、成形性に優れ、加工硬化が生じやすく、変形を一様化することができる。

【0037】

次に、図４に示すように、金属板に対して、絞り加工を行う（ステップＳ２）。絞り加工を行う際には、例えば、円板状の金属板を、円柱状の金型の先端面に取り付け、所定の圧力で接触させる。この結果、有底筒状の中間成形品６０が形成される。図５は、中間成形品６０の概要図である。

【0038】

なお、中間成形品６０のうち、金型の先端面に接触していた平板状の部位６１は、その後に孔（上記の中心孔２１０および複数の貫通孔２１１）の形成等の加工が施されることによって、可撓性歯車２０のダイヤフラム部２１となる部位である。また、中間成形品６０のうち、金型の側面に接触していた部位６２は、可撓性歯車２０の胴部２３および複数の外歯２４となる部位である。また、中間成形品６０のうち、金型の先端の角部に接触していた部位６３は、可撓性歯車２０の曲げ部２２となる部位である。

【0039】

次に、部位６２のうち、先端側に位置する部位６２１に、凹凸形状を有する外歯形成ローラ（図示省略）を押し付けつつ、上記の金型の中心軸を中心とした周方向に転がすことによって、外歯２４を形成（転造）する（ステップＳ３）。ただし、部位６２１に対して、切削等の別の手法によって、外歯２４を形成してもよい。これにより、部位６２１は、外周面に複数の外歯２４が形成された第２胴部２３２となる。また、部位６２のうち、部位６２１よりも底部（部位６１）側に位置する部位６２２は、可撓性歯車２０の第１胴部２３１となる。

【0040】

上記のとおり、部位６２１は、外歯２４が形成される過程で、外歯形成ローラによって押し付けられて変形する。これにより、部位６２１を構成する金属板中のオーステナイトが塑性変形する。そして、塑性変形により誘起されてオーステナイトがマルテンサイトに変態し、加工硬化する。この結果、部位６２１の強度が高まる。

【0041】

次に、図４に示すように、外歯２４を形成した後の可撓性歯車２０に対し、ショットピーニングを施す（ステップＳ４）。ここで、ショットピーニングとは、無数の小さな球体を衝突させることによって、表面を改質する表面処理である。本実施形態では、外歯２４が外周面に設けられた第２胴部２３２を中心に、胴部２３および曲げ部２２に、ショットピーニングを施す。ショットピーニングを行った後、外歯２４，胴部２３，および曲げ部２２はそれぞれ、表面に複数のディンプル（小さな丸い窪み）を有する。

【0042】

これにより、外歯２４，胴部２３，および曲げ部２２の表面付近のオーステナイトが塑性変形する。そして、塑性変形により誘起されてオーステナイトがマルテンサイトに変態し、加工硬化する。すなわち、ショットピーニングにより、外歯２４，胴部２３，および曲げ部２２の表面が、よりマルテンサイト化する。これにより、外歯２４，胴部２３，および曲げ部２２の強度がさらに高まり、可撓性歯車２０の耐久性が向上する。この結果、長期間に亘って波動歯車装置１００が駆動して、可撓性歯車２０が剛性歯車１０と噛み合いながら撓み、回転する場合でも、外歯２４，胴部２３，および曲げ部２２が、劣化することを抑制できる。

【0043】

上記のとおり、本実施形態では、オーステナイト系のステンレス鋼からなる金属板を用いて可撓性歯車２０を形成する過程で、まず、絞り加工を行うことによって、ダイヤフラム部２１，曲げ部２２，第１胴部２３１，および第２胴部２３２を形成する。次に、歯型転造を行うことによって、第２胴部２３２の外周面に外歯２４を形成する。さらに、外歯２４，胴部２３，および曲げ部２２に、ショットピーニングを施す。これにより、各工程を経るにつれて、これらに含まれるマルテンサイト相の占有率が上昇し、加工硬化する。この結果、形成された可撓性歯車２０における残留応力が大きくなり、強度がさらに高まる。

【0044】

また、本実施形態では、ｎ値の高いオーステナイト系のステンレス鋼を用いて可撓性歯車２０を形成することにより、絞り加工、歯型転造、ショットピーニング等を行う際の変形を一様化することができるため、最終製品としての精度を向上することができる。

【0045】

なお、上記のとおり、本実施形態では、ブッシュ２６およびスペーサ２７も、それぞれ可撓性歯車２０と同じステンレス鋼を用いて形成される。なお、ブッシュ２６およびスペーサ２７が形成される過程で、ブッシュ２６およびスペーサ２７のそれぞれの径の±１％が許容公差とされる。そして、上記のとおり、ブッシュ２６およびスペーサ２７はそれぞれ、可撓性歯車２０のダイヤフラム部２１に、複数の締結部材２８を用いて固定される（ステップＳ５）。

【0046】

すなわち、波動歯車装置１００に使用される歯車ユニット１９は、ａ）可撓性歯車２０を作製する工程と、ｂ）可撓性歯車２０にブッシュ２６およびスペーサ２７を固定する工程と、を経て、製造される。また、工程ａ）では、金属板を絞り加工することにより、曲げ部２２および胴部２３を形成する。また、工程ｂ）では、ダイヤフラム部２１の軸方向一方側の面に、ブッシュ２６の軸方向他方側の面である第１接触面ＣＳ１を接触させるとともに、ダイヤフラム部２１の軸方向他方側の面に、スペーサ２７の軸方向一方側の面である第２接触面ＣＳ２を接触させる。

【0047】

そして、ダイヤフラム部２１，ブッシュ２６，およびスペーサ２７の径方向内側に、出力軸が固定される。これにより、波動歯車装置１００の駆動時には、可撓性歯車２０は、剛性歯車１０に噛み合いながら撓み、ブッシュ２６，スペーサ２７，および出力軸とともに、中心軸Ｃ１を中心として減速後の回転数で回転する。なお、上記のとおり、ブッシュ２６とスペーサ２７の間にダイヤフラム部２１を挟むことにより、波動歯車装置１００の駆動時に、ダイヤフラム部２１が撓む量を抑制できる。

【0048】

しかしながら、本実施形態のように、絞り加工によって可撓性歯車２０を形成する場合、作業の性質上、可撓性歯車２０のダイヤフラム部２１が略一定の厚みとなる。このため、従来の構造を有するブッシュ２６およびスペーサ２７を用いる場合、波動歯車装置１００の駆動時に、可撓性歯車２０が剛性歯車１０と噛み合いながら撓み、回転する際に、可撓性歯車２０において変形による応力が局所的に集中する箇所が発生していた。特に、ダイヤフラム部２１のうち、ブッシュ２６の第１接触面ＣＳ１の径方向外側の端部に接触する箇所や、スペーサ２７の第２接触面ＣＳ２の径方向外側の端部に接触する箇所において、応力が局所的に集中していた。

【0049】

そこで、本発明では、ブッシュ２６およびスペーサ２７として、従来よりも径方向に大きなものが用いられる。そして、ブッシュ２６のうち第１接触面ＣＳ１の径方向外側の端部、およびスペーサ２７のうち第２接触面ＣＳ２の径方向外側の端部を、それぞれダイヤフラム部２１と曲げ部２２の境界（図３の二点鎖線Ｂ１参照）に配置する。ただし、ブッシュ２６のうち第１接触面ＣＳ１の径方向外側の端部、およびスペーサ２７のうち第２接触面ＣＳ２の径方向外側の端部は、それぞれダイヤフラム部２１と曲げ部２２の境界に完全に一致して配置されなくてもよい。例えば、ブッシュ２６のうち第１接触面ＣＳ１の径方向外側の端部、およびスペーサ２７のうち第２接触面ＣＳ２の径方向外側の端部は、それぞれダイヤフラム部２１と曲げ部２２の境界から、ブッシュ２６およびスペーサ２７のそれぞれの径に対して±１％程度ずれていてもよい。

【0050】

また、本発明では、ブッシュ２６およびスペーサ２７として従来よりも径方向に大きなものを用いることにより、波動歯車装置１００の駆動時に、可撓性歯車２０の変形による応力を、曲げ部２２に作用させることができる。上記のとおり、曲げ部２２は、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向一方側へ曲がる。このため、可撓性歯車２０が剛性歯車１０と噛み合いながら撓み、回転する際に、曲げ部２２は滑らかに変形しやすく、応力を逃がしやすい形状となっている。本実施形態では、このような曲げ部２２に応力を作用させることによって、応力による可撓性歯車２０の劣化を抑制できる。また、上記のとおり、可撓性歯車２０の曲げ部２２は、絞り加工およびショットピーニング等を経て形成される過程で、よりマルテンサイト化し、強度がさらに高まっている。これにより、可撓性歯車２０の耐久性が向上するため、長期間に亘って可撓性歯車２０が剛性歯車１０と噛み合いながら撓み、回転する場合でも、可撓性歯車２０の劣化をさらに抑制できる。

【0051】

また、図３に示すように、可撓性歯車２０の曲げ部２２の厚みは、ダイヤフラム部２１から第１胴部２３１へ向かうにつれて、徐々に薄くなる。また、第１胴部２３１の径方向の厚みｄ２は、ダイヤフラム部２１の軸方向の厚みｄ１よりも薄い。このように、曲げ部２２の厚みが徐々に変化することにより、波動歯車装置１００の駆動時に、曲げ部２２に作用する応力をさらに分散させることができる。この結果、応力による可撓性歯車２０の劣化を、より抑制できる。

【0052】

また、上記のとおり、ブッシュ２６のうち可撓性歯車２０に近接する周縁部には、第１湾曲面ＣＳ３が形成され、滑らかな形状となっている。すなわち、第１接触面ＣＳ１の径方向外側の端部に角が生じない。このため、可撓性歯車２０が剛性歯車１０に噛み合いながら撓み、回転する際に、ダイヤフラム部２１と曲げ部２２の境界部が、角との接触により劣化することを防止できる。また、第１湾曲面ＣＳ３の曲率半径は、曲げ部２２の曲率半径よりも小さい。これにより、可撓性歯車２０が剛性歯車１０と噛み合いながら撓み、回転する際に、ダイヤフラム部２１と曲げ部２２の境界部付近の部位が、ブッシュ２６と干渉して可撓性歯車２０の回転が妨げられることを抑制できる。

【0053】

また、上記のとおり、スペーサ２７のうち可撓性歯車２０に近接する周縁部には、第２湾曲面ＣＳ４が形成され、滑らかな形状となっている。すなわち、第２接触面ＣＳ２の径方向外側の端部に角が生じない。このため、可撓性歯車２０が剛性歯車１０に噛み合いながら撓み、回転する際に、ダイヤフラム部２１と曲げ部２２の境界部が、角との接触により劣化することを防止できる。

【0054】

＜３．変形例＞
以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

【0055】

上記の実施形態では、可撓性歯車２０の成形方法として、絞り加工を例に挙げて説明した。しかしながら、可撓性歯車２０の成形方法はこれに限られない。可撓性歯車２０は、切削、鍛造、鋳造、またはプレス加工等の他の方法によって成形されてもよい。

【0056】

図６は、波動歯車装置１００が組み込まれる先の変形例としての、波動歯車装置１００を搭載したロボット２００の概要図である。本変形例のロボット２００は、例えば、工業製品の製造ラインにおいて、部品の搬送、加工、組立等の作業を行う、いわゆる産業用ロボットである。図６に示すように、ロボット２００は、ベースフレーム２０１、アーム２０２、モータ２０３、および波動歯車装置１００を有する。

【0057】

アーム２０２は、ベースフレーム２０１に対して、回動可能に支持されている。モータ２０３および波動歯車装置１００は、ベースフレーム２０１とアーム２０２との間の関節部に、組み込まれている。モータ２０３に駆動電流が供給されると、モータ２０３から回転運動が出力される。また、モータ２０３から出力される回転運動は、波動歯車装置１００により減速されて、アーム２０２へ伝達される。これにより、ベースフレーム２０１に対してアーム２０２が、減速後の速さで回動する。

【0058】

また、歯車ユニットを含む波動歯車装置の細部の形状については、上記の実施形態の各図に示された形状と相違していてもよい。

【0059】

＜４．総括＞
なお、本技術は、以下のような構成をとることが可能である。
（１）：波動歯車装置に使用される歯車ユニットであって、
可撓性歯車と、
前記可撓性歯車に固定されたブッシュおよびスペーサと、
を有し、
前記可撓性歯車は、
中心軸に対して垂直に広がる板状のダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向一方側へ曲がる曲げ部と、
前記曲げ部の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延びる筒状の胴部と、
前記胴部の外周面に設けられた複数の外歯と、
を有し、
前記ブッシュは、
前記中心軸に対して垂直に広がるとともに、前記ダイヤフラム部の軸方向一方側の面に接触する第１接触面
を有し、
前記スペーサは、
前記中心軸に対して垂直に広がるとともに、前記ダイヤフラム部の軸方向他方側の面に接触する第２接触面
を有し、
前記第１接触面の径方向外側の端部および前記第２接触面の径方向外側の端部は、前記ダイヤフラム部と前記曲げ部の境界に位置する、歯車ユニット。

【0060】

（２）：（１）に記載の歯車ユニットであって、
前記胴部は、
前記曲げ部の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延びる第１胴部と、
前記第１胴部の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延び、前記複数の外歯の径方向内側に位置する第２胴部と、
を含み、
前記第１胴部の径方向の厚みは、前記ダイヤフラム部の軸方向の厚みよりも薄く、
前記曲げ部の厚みが、前記ダイヤフラム部から前記第１胴部へ向かうにつれて、徐々に薄くなる、歯車ユニット。

【0061】

（３）：（１）または（２）に記載の歯車ユニットであって、
前記ブッシュは、
前記第１接触面の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向一方側へ曲がる第１湾曲面
をさらに有し、
前記第１湾曲面の曲率半径は、前記曲げ部の曲率半径よりも小さい、歯車ユニット。

【0062】

（４）：（１）から（３）までのいずれか１つに記載の歯車ユニットであって、
前記スペーサは、
前記第２接触面の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向他方側へ曲がる第２湾曲面
をさらに有する、歯車ユニット。

【0063】

（５）：（１）から（４）までのいずれか１つに記載の歯車ユニットであって、
前記可撓性歯車は絞り加工品である、歯車ユニット。

【0064】

（６）：（１）から（５）までのいずれか１つに記載の歯車ユニットであって、
前記可撓性歯車は、オーステナイト系のステンレス鋼により形成されている、歯車ユニット。

【0065】

（７）：（６）に記載の歯車ユニットであって、
前記ステンレス鋼の加工硬化指数であるｎ値は、０．３以上である、歯車ユニット。

【0066】

（８）：（１）から（７）までのいずれか１つに記載の歯車ユニットであって、
前記曲げ部は、表面に複数のディンプルを有する、歯車ユニット。

【0067】

（９）：（１）から（８）までのいずれか１つに記載の歯車ユニットと、
前記胴部の径方向内側に配置された波動発生器と、
前記胴部の径方向外側に配置された剛性歯車と、
を備え、
前記剛性歯車は、内周面に複数の内歯を有し、
前記複数の外歯の一部と、前記複数の内歯の一部とが噛み合う、波動歯車装置。

【0068】

（１０）：（９）に記載の波動歯車装置を備えたロボット。

【0069】

（１１）：波動歯車装置に使用される歯車ユニットの製造方法であって、
ａ）可撓性歯車を作製する工程と、
ｂ）前記可撓性歯車にブッシュおよびスペーサを固定する工程と、
を有し、
前記可撓性歯車は、
中心軸に対して垂直に広がる板状のダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の径方向外側の端部から、径方向外側へ向かうにつれて徐々に軸方向一方側へ曲がる曲げ部と、
前記曲げ部の軸方向一方側の端部から軸方向一方側へ延びる筒状の胴部と、
前記胴部の外周面に設けられた複数の外歯と、
を有し、
前記工程ａ）では、金属板を絞り加工することにより、前記曲げ部および前記胴部を形成し、
前記工程ｂ）では、
前記ダイヤフラム部の軸方向一方側の面に、前記ブッシュの軸方向他方側の面である第１接触面を接触させるとともに、
前記ダイヤフラム部の軸方向他方側の面に、前記スペーサの軸方向一方側の面である第２接触面を接触させ、
前記第１接触面の径方向外側の端部および前記第２接触面の径方向外側の端部を、前記ダイヤフラム部と前記曲げ部の境界に配置する、歯車ユニットの製造方法。

【産業上の利用可能性】

【0070】

本願は、歯車ユニット、波動歯車装置、ロボット、および歯車ユニットの製造方法に利用できる。

【符号の説明】

【0071】

１０ 剛性歯車
１１ 内歯
１９ 歯車ユニット
２０ 可撓性歯車
２１ ダイヤフラム部
２２ 曲げ部
２３ 胴部
２４ 外歯
２６ ブッシュ
２７ スペーサ
３０ 波動発生器
３１ 非真円カム
３２ 可撓軸受
１００ 波動歯車装置
２００ ロボット
２３１ 第１胴部
２３２ 第２胴部
Ｃ１ 中心軸
ＣＳ１ ブッシュの第１接触面
ＣＳ２ スペーサの第２接触面
ＣＳ３ ブッシュの第１湾曲面
ＣＳ４ スペーサの第２湾曲面
ｄ１ ダイヤフラム部の軸方向の厚み
ｄ２ 第１胴部の径方向の厚み

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】