Method for manufacturing gear structure, and intermediate structure of the gear structure

本発明は、歯車構造体の製造方法及び歯車構造体の中間構造体に関する。

動力伝達装置等において、例えば減速比を調整するために歯車構造体が広く使用されている。 この種の歯車構造体は、軸部材の外周に、通常２つの歯車が軸方向に隣接して形成されている。 そして、一方側の歯車を該歯車構造体の前段側の歯車と噛合させ、他方側の歯車を、該歯車構造体の後段側の歯車と噛合させる。 各歯車の歯数を変えることで、該歯車構造体を介して動力伝達装置全体の減速比を調整することができる。

歯車構造体の軸部材に歯車を固定する方法の１つとして、例えば産業用ロボットの関節駆動のための減速装置等、バックラッシを嫌う用途においては、塑性流動を利用した結合（塑性結合）によって歯車を軸部材に固定する手法が提案されている。 これは、軸部材の外周に軸方向に沿って溝を形成し、歯車本体を軸方向に荷重を加えながら該軸部材の外周に押し込むことによって該歯車本体の内周面を溝内に塑性流動させるものである。

但し、この手法では、軸部材に２個の歯車が軸方向に隣接して形成されている歯車構造体の場合、軸部材に塑性結合をするための溝を形成する工程と、該溝に隣接して歯車を形成する工程と、を別個に実施する必要がある。 そのため、特許文献１では、塑性結合を行うための溝とその隣に隣接して形成するべき歯車とを一直線に（同時に）加工することで、より効率的な生産を実現可能とした技術を開示している。

しかしながら、この特許文献１にて開示された生産手法は、必然的に隣接して形成した歯車が形成された後に塑性結合を行うことになることから、軸部材が中空の筒状部材であった場合には、該筒状部材が塑性結合の際に変形してしまい、とりわけ（塑性結合を行う歯車と隣接して設けられている）歯車の形成精度を正確に保てないことがある、という問題があった。

この問題は、該筒状部材の肉厚が外径に対して薄いときほど、顕著になる傾向がある。 換言するならば、この問題は、筒状部材の肉厚を増大することによってある程度回避することができる。 しかしながら、筒状部材の肉厚の増大は、単に歯車構造体（ひいては歯車構造体が組み込まれた動力伝達装置）の重量増大、コストの増大を招くだけでなく、確保したい中空部の空間がそれだけ小さくなってしまうことを意味し、デメリットが大きい。

本発明は、このような従来な問題を解消するためになされたものであって、筒状部材の外周に複数の歯車を軸方向に隣接して形成した歯車構造体を精度よく製造することのできる歯車構造体の製造方法、及び、該製造方法を実施するのに好適な歯車構造体の中間構造体を提供することをその課題としている。

本発明は、筒状部材の外周に、少なくとも２個の歯車を軸方向に隣接して形成する歯車構造体の製造方法であって、前記筒状部材の外周に、前記２個の歯車のうちの一方の歯車を組み込むための溝を形成する第１工程と、前記筒状部材の外周に、前記２個の歯車のうち、他方の歯車を、該他方の歯車の軸方向両端部での歯底円径が異なるように形成する第２工程と、前記溝の外周に、前記一方の歯車の歯車本体を軸方向に沿って押し込み、該歯車本体を塑性流動によって前記溝の外周に固定することによって当該一方の歯車を形成する第３工程と、を含むことにより、上記課題を解決したものである。

発明者の観察によれば、筒状部材の外周に２個（以上）の歯車を軸方向に隣接して形成する歯車構造体において、少なくとも一方の歯車を塑性結合によって形成する場合、特に塑性結合する歯車と隣接した歯車（他方の歯車）が、該筒状部材の変形の影響を受けて筒状部材の軸心に対して傾いてしまう傾向がある。

本発明は、この知見に基づき、少なくともこの隣接した歯車（他方の歯車）を、その軸方向両端部の歯底円径が異なるように形成する。 これは、換言するならば、該他方の歯車を、（基準ピッチ及びモジュールは不変であるが）ピッチ円が軸方向の一端側と他端側とで異なるように形成することを意味している。 すなわち、本発明では、この筒状部材の変形によって他方の歯車が傾くことを見越して、この他方の歯車を筒状部材に対して、予め逆に傾けた状態で形成しておくものである。

これにより、筒状部材の外周の溝に歯車本体を強い荷重にて押し込むことによって塑性結合する際に、筒状部材の一部が変形したとしても、他方の歯車は「変形後」において正しい固定状態（形成状態）を結果として維持できるようになり、精度の高い歯車構造体を製造することができる。

本発明によれば、歯車構造体の歯車を塑性流動によって固定する際に、筒状部材の外形の一部が変形したとしても、該筒状部材に形成される歯車の形成精度を高く維持することができる。

本発明の実施形態の一例に係る歯車構造体の製造方法における製造工程を示すもので、（Ａ）は歯切り前のギヤブランクを示した断面図、（Ｂ）は歯切り後で且つ歯車本体を押し込む前の中間構造体の断面図、（Ｃ）は歯車本体を押し込んだ後の歯車構造体の断面図

上記製造方法によって製造しようとする歯車構造体が組み込まれている減速装置の構成を示すのもので、（Ａ）は全体断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩＣ−ＩＩＣ断面図、（Ｄ）は（Ａ）のＩＩＤ部分の拡大断面図

従来の歯車構造体の製造方法における製造工程を示すもので、（Ａ）は歯切り後で且つ歯車本体を押し込む前の断面図、（Ｂ）は歯車本体を押し込んだ後の断面図

以下、図面に基づいて本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

図２は、本発明の実施形態の一例に係る歯車構造体の製造方法によって製造しようとする歯車構造体が組み込まれている産業用ロボットの関節駆動用の減速装置を示す。

図２の（Ａ）はその全体断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＩＩＣ−ＩＩＣ断面図、（Ｄ）は（Ａ）のＩＩＤ部分の拡大断面図である。

減速装置Ｇ１は、入力部１２、減速比調整部１４、及び主減速機構部１６を備える。

前記入力部１２は、図示せぬモータからの回転を受ける部分であり、この実施形態では入力軸１８及び該入力軸１８と一体化されたピニオン２０を有している。

前記減速比調整部１４は、歯車構造体２２によって構成されている。

この歯車構造体２２は、中空軸（筒状部材）２４の外周に、第１歯車２６及び第２歯車２８の計２個の歯車が軸方向に隣接して形成されている。 この歯車構造体２２のより具体的な構成については、後に該歯車構造体２２の製造方法を説明する際に詳述する。

前記主減速機構部１６は、揺動内接噛合型の遊星歯車機構で構成されている。 主減速機構部１６は、歯車構造体２２の第１歯車２６と噛合する第３歯車３０を入力歯車として備える。 第３歯車３０は、偏心体軸３２に固定されている。 図２においては、第３歯車３０及び偏心体軸３２は、１セットのみ描写されているが、この第３歯車３０及び偏心体軸３２は、実際には３セット配備されている。 偏心体軸３２には、２個の偏心体３４が一体的に形成されており、ころ３６を介して外歯歯車３８が偏心（揺動）回転可能に組み付けられている。 外歯歯車３８は、内歯歯車４０に内接噛合している。 内歯歯車４０は、ケーシング４２と一体化されており、その歯数は外歯歯車３８の歯数よりも僅かだけ（例えば１だけ）多い。 前記偏心体軸３２は、一対の第１、第２キャリヤ４３、４４に円錐ころ軸受４６、４７を介して回転自在に支持されている。 第１、第２キャリヤ４３、４４はボルト４８によって一体化され、一対のアンギュラ玉軸受５０、５１を介してケーシング４２に回転自在に支持されている。

主減速機構部１６の作用を簡単に説明すると、例えば、ケーシング４２（内歯歯車４０）を固定した場合には、偏心体軸３２の回転によって外歯歯車３８が内歯歯車４０に内接しながらゆっくりと自転し、この自転が偏心体軸３２の軸心Ｏ１周りの公転、すなわち第１キャリヤ４３（及び第２キャリヤ４４）の回転（自転）として取り出される。 一方、第１キャリヤ４３（及び第２キャリヤ４４）を固定した場合には、偏心体軸３２の公転が拘束されるため、外歯歯車３８は自転しない（できない）。 このため、公転の拘束された偏心体軸３２の回転（自転）によって外歯歯車３８が内歯歯車４０に内接しながら揺動のみを行う。 この揺動により、内歯歯車４０が回転し、該内歯歯車４０と一体化されているケーシング４２が回転する（いわゆる枠回転）。

この実施形態に係る減速装置Ｇ１は、産業用ロボットにその関節駆動用として組み込まれ、ケーシング４２及び第１キャリヤ４３のうちの一方が前段アーム側の部材に、他方が後段アーム側の部材（いずれも図示略）にそれぞれ固定されている。 これにより、後段アームを前段アームに対して相対的に回転させることができる。

なお、本発明においては、歯車構造体が組み込まれる装置（この実施形態では歯車構造体２２が組み込まれる減速装置Ｇ１）の具体的な構成については、特に限定されない。

次に、歯車構造体２２の詳細な構成を説明する。

歯車構造体２２は、前述したように、中空軸（筒状部材）２４の外周に、第１歯車２６及び第２歯車２８を軸方向に隣接して形成したものである。 このうち第１歯車２６は基礎歯（溝）２６Ａに対して歯車本体２６Ｂを塑性結合することによって形成される。 ここで、本実施形態においては、第１歯車２６を組み込むための「溝」を、第２歯車２８と同一の工具で歯切りすることによって形成するため、「基礎歯２６Ａ」と称しているが、この基礎歯２６Ａは、いわゆる歯車の歯である必要はなく、第１歯車２６の内周が塑性流動できる溝であればよい。 歯車本体２６Ｂは、外周に歯部２６Ｂ１を有すると共に、半径方向中央部に中空部２６Ｂ２を有したリング状の部材である。 第２歯車２８は中空軸２４に一体的に形成される。 中空軸２４は、一対の軸受２５、２７を介して第２キャリヤ４４及び前段側の部材（図示略）に回転自在に支持されている。

この実施形態に係る歯車構造体２２では、第２歯車２８が入力部１２のピニオン２０と噛合しており、第１歯車２６が主減速機構部１６の入力軸である第３歯車３０と噛合している。 ピニオン２０と第２歯車２８との噛合は「減速」、第１歯車２６と第３歯車３０との噛合は「増速」である。 各歯車、特に第１歯車２６の歯数（及び該第１歯車２６と噛合する第３歯車３０の歯数）を調整することにより、減速装置Ｇ１全体の減速比を調整可能である。

この歯車構造体２２は、以下のようにして製造される。

先ず、図１（Ａ）に示されるように、第１、第２突部５４、５６が一体形成されたギヤブランク（歯切り前の素材）５８が準備される。 第１突部５４は、第１歯車２６の基礎歯２６Ａの歯高２６ｈに相当する高さ５４ｈを有すると共に、該基礎歯２６Ａの歯幅２６ｗに相当する軸方向幅５４ｗを有している。 ここで、「基礎歯２６Ａの歯高」とは、基礎歯（溝）２６Ａの山部の高さに相当し、具体的には中空軸２４の内周と基礎歯２６Ａの歯先（溝の山部の頂点）との間の距離を意味している。 なお、この「基礎歯２６Ａの歯高」は、中空軸２４の軸心から歯先までの距離と定義してもよい。 また、第２突部５６は、第２歯車２８の歯高２８ｈに相当する高さ５６ｈを有すると共に、該第２歯車２８の歯幅２８ｗに相当する軸方向幅５６ｗを有している。 なお、「第２歯車２８の歯高」とは、先と同様に、第２歯車２８の山部の高さに相当し、具体的には中空軸２４の内周と第２歯車２８の歯先との間の距離を意味している。 なお、この「第２歯車２８の歯高」についても、中空軸２４の軸心から歯先までの距離と定義してもよい。 第１突部５４と第２突部５６の間には、隙間δ１が設けられている。 この第１、第２突部５４、５６間の隙間δ１は、歯切り後において第１歯車２６の基礎歯２６Ａと第２歯車２８間の隙間δ２として残存することになる。

図１（Ａ）から明らかなように、この実施形態では、第１、第２突部５４、５６の高さ５４ｈ、５６ｈは、歯車本体２６Ｂを挿入する側の方が高くなっており、軸方向において一定ではない。 その結果として、第１、第２歯車２６、２８の歯高２６ｈ、２８ｈも、歯車本体２６Ｂを挿入する側の方が高く形成されている。 但し、この第１、第２突部５４、５６の高さ５４ｈ、５６ｈの傾斜は、後述する「歯底円径が軸方向で一定でない」こととは、直接的には関係していない。

次に、図１（Ｂ）に示されるように、第１突部５４に対して第１歯車２６の基礎歯２６Ａを形成すると共に（第１工程）、そのまま同一の工具によって連続的に第２突部５６に対して第２歯車２８の歯部を形成する（第２工程）。

このとき、少なくとも第２歯車２８の歯部は、軸方向両端部での歯底円径２８ｄが異なるように形成する。 すなわち、第２歯車２８の第１歯車側の歯底円径は、２８ｄ１であり、反第１歯車側の歯底円径は、２８ｄ２であって、第１歯車側の歯底円径２８ｄ１の方が大きい（２８ｄ１＞２８ｄ２）。 これは、基準ピッチ及びモジュールは同一であるが、ピッチ円２８ｐが第１歯車側程、大きくなっていることを意味している。

なお、この実施形態では、第１歯車２６の基礎歯２６Ａについても、その軸方向両端部での歯底円径（溝の底部の径：すなわち、中空軸２４の軸心と溝の底部との距離）２６ｄが異なるように形成している。 すなわち、この実施形態では、第１歯車２６の基礎歯２６Ａの反第２歯車側の歯底円径は、２６ｄ１であり、第２歯車側の歯底円径は２６ｄ２であって、反第２歯車側の歯底円径２６ｄ１の方が大きい（２６ｄ１＞２６ｄ２）。

また、前述したように、この実施形態では、第１、第２突部５４、５６の高さ５４ｈ、５６ｈが軸方向に一定でなかったことに起因して、第１歯車２６の基礎歯２６Ａの歯高２６ｈ及び第２歯車２８の歯高２８ｈも軸方向に一定ではなく、それぞれ歯底円径２６ｄ、２８ｄの傾斜に沿った傾斜を有している。

また、この実施形態では、第１歯車２６の基礎歯２６Ａの第２歯車２８側の歯高２６ｈが、第２歯車２８の第１歯車２６側の歯高２８ｈよりもΔｈだけ低く形成されている。 この歯高差Δｈに起因して生じる段差部６０は、第１歯車２６の歯車本体２６Ｂを基礎歯２６Ａに押し込む際の「止め部」として機能する。

この図１（Ｂ）の状態の歯車構造体２２の「中間構造体６２」は、これ自体を歯車構造体２２の中間製品として、在庫管理（或いは流通）の対象とすることができる。 それは、この中間構造体６２をベースとし、押し込む歯車本体（２６Ｂ）を適宜選択することによって、さまざまな減速比の調整が可能な歯車構造体２２を容易に製造することができるためである。

最後に、図１（Ｃ）に示されるように、第１歯車２６の基礎歯２６Ａの外周に、該第１歯車２６の歯車本体２６Ｂを軸方向に沿って第２歯車２８の段差部６０に当接するまで押し込み荷重する（第３工程）。 これにより、歯車本体２６Ｂを塑性流動による結合によって基礎歯２６Ａの外周にバックラッシ無しで固定することができ、塑性結合による第１歯車２６の形成が完了する。

この実施形態では、このような構成の歯車構造体２２を、このような製造方法によって製造することにより、以下のような作用効果を得ることができる。 なお、この説明をする前に、理解を容易にするために、先ず、比較例として従来の歯車構造体、あるいはその製造方法において発生していた不具合について図３を参照しながら説明する。 図３では、便宜上図１と同一の番号の末尾にｒの付された符号を振っている。

図３（Ａ）を参照して、従来の歯車構造体２２ｒの製造方法にあっては、第１歯車２６ｒの基礎歯２６Ａｒ及び第２歯車２８ｒの歯高２６Ａｈｒ、２８ｈｒ、ピッチ円２６Ａｐｒ、２８ｐｒ、及び歯底円径２６Ａｄｒ、２８ｄｒ等は、それぞれの軸方向の各位置で同一であった。 そのため、この状態で第１歯車２６ｒの基礎歯２６Ａｒの外周に該第１歯車２６の歯車本体２６Ｂｒを軸方向に沿って押し込み荷重すると、図３（Ｂ）に誇張して示されるような状態が形成される。 すなわち、とりわけ（塑性結合しない方の）隣接して形成された第２歯車２８ｒが、中空軸２４ｒの変形の影響を直接的に受けてしまい、軸方向において同一であるべきピッチ円２６Ａｐｒ、２８ｐｒ等が軸心Ｏ１に対して傾いてしまう。 この状態は、結果として第２歯車２８ｒとその相手方歯車（上記実施形態においてはピニオン２０）との噛合に、いわゆる片当たりを発生させ、円滑な動力の伝達が阻害される。

これに対し、上記実施形態における歯車構造体２２の製造方法によれば、図１（Ａ）（Ｂ）に示されるように、塑性結合時の中空軸２４の変形を予め想定し、歯車構造体２２の中間構造体６２における第２歯車２８の軸方向両端部での歯底円径２８ｄ１、２８ｄ２が異なるように（２８ｄ１＞２８ｄ２）該第２歯車２８が形成されている。 このため、図１（Ｃ）に示されるように、塑性結合した後において、結果として第２歯車２８のピッチ円２８ｐのほか、歯底円径２８ｄ及び歯高２８ｈ等も軸方向の各位置で同一とすることができ、片当たりを防止できる。

また、第１歯車２６では、（仮に中空軸２４が多少変形したとしても）歯車本体２６Ｂの持つ剛性により、軸方向の各位置においてピッチ円２６Ｂｐを同一に維持することができるため、結局、第１、第２歯車２６、２８の双方とも、中空軸２４（の軸心Ｏ１）に対して精密な形成精度を維持することができる。

この作用効果から明らかなように、本発明の第２工程における「他方の歯車（実施形態では第２歯車２８）の軸方向両端部での歯底円径が異なるように形成する」とあるのは、あくまで、第１歯車の歯車本体を塑性結合した後において、結果として第２歯車の特にピッチ円を、軸方向の各位置で同一とすることを意図するものである。

このようにして製造された歯車構造体２２を利用することで、第１歯車２６の歯車本体２６Ｂ、及び該歯車本体２６Ｂと噛合する主減速機構部１６の第３歯車３０の歯数をそれぞれ適宜に選択することにより、減速装置Ｇ１の減速比を（ある範囲内で）任意に調整することができる。 第１歯車２６及び第２歯車２８は、共に中空軸２４とバックラッシ無しで完全に一体化されているため、本歯車構造体２２は、例えばこの実施形態で例示した産業用ロボットの減速装置Ｇ１のようなバックラッシを嫌う用途に特に好適である。

なお、本発明では、歯車本体が塑性結合される「一方の歯車（実施形態では第１歯車２６）」を組み込むための「溝」については、必ずしも中間構造体の段階で予め軸方向両端部で歯底円径が異なるように製造することは要求しない。 それは、塑性結合される方の歯車は、歯車本体自体の剛性を利用できるため塑性結合後においても、ある程度精度の高いピッチ円を軸方向の各位置において維持できるためである。 しかしながら、上記実施形態で示されるように、本発明では、塑性結合される方の歯車の溝についても、このような変形を見越した構成を採用するようにすることを禁止するものではなく、この場合には、図３（Ｂ）及び図１（Ｃ）の描写の比較から明らかなように、溝と歯車本体との塑性結合をより良好に行うことができるようになるという効果が得られる。

また、上記実施形態においては、第１歯車の基礎歯（溝）の第２歯車側端部の歯高が第２歯車の第１歯車側端部の歯高よりも低く形成されるように構成し、これによって生じる段差部を第３工程の塑性結合の際の歯車本体の止め部として機能させるようにしていたが、本発明においては、例えば、止め部として機能する別途の部材等が利用できるならば、この構成は必ずしも必要ではない。

更に、上記実施形態においては、第１工程の基礎歯（溝）と、第２工程の第２歯車の歯部とを、同一の工具によって連続的に加工するようにしていたが、本発明においては、第１工程の溝と、第２工程の第２歯車の歯部は、必ずしも同一の工具によって連続的に加工する必要はなく、例えば、別の加工工具を用いて独立した工程で別々に加工してもよい。 このように独立した工程で別々に歯部を形成するようにすると、筒状部材の変形のメカニズムをより正確に反映させることができ、結果としてより高い形成精度を有する歯車構造体を得ることができる。

また、第２歯車については、上記実施形態においては、筒状部材に形成されたものをそのまま第２歯車として利用するようにしていたが、本発明では、この第２歯車を、溝として第２歯車の歯車本体を塑性流動によって結合してもよいし、その他の方法によって固定してもよい。 つまり、本発明における「歯車を形成」とは、筒状部材に直接形成するものだけでなく、別体の歯車本体を筒状部材に固定する構成も含む。 この場合でも、第２歯車を形成（固定）した後に、第１歯車の歯車本体を塑性結合した後における第２歯車の傾きを低減できるという同様な効果が得られる。 また、溝（基礎歯２６Ａ）についても、筒状部材に直接形成するものに限られるものではなく、溝の形成されたリング状部材を筒状部材に固定することによって形成してもよい。

また、上記実施形態においては、筒状部材に第１、第２歯車の２個のみの歯車が形成される例が示されていたが、本発明においては、筒状部材に更に他の歯車が軸方向に隣接して形成されている場合にも適用できる。 この場合、当該他の歯車を本発明の範疇から外して設計してもよく、また、当該他の歯車も「本発明の第２の歯車」として歯底円径を考慮した設計にて形成するようにしてもよい。

Ｇ１…減速装置 １２…入力部 １４…減速比調整部 １６…主減速機構部 １８…入力軸 ２０…ピニオン ２２…歯車構造体 ２４…中空軸（筒状部材）
２６…第１歯車 ２６Ａ…溝 ２６Ｂ…歯車本体 ２８…第２歯車 ２８ｄ１、２８ｄ２…第２歯車の軸方向端部の歯底円径