JP2006118623A - 歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
歯車装置において調整を容易にし、バックラッシを低減する。
【解決手段】
平行軸型の円すい歯車装置１００では、第１の回転軸３に円すい小歯車７ａを取り付け、この第１の回転軸に第２の回転軸１０を平行に配置する。第２の回転軸に、円すい小歯車に噛み合う円すい大歯車７ｂを取り付ける。小歯車と大歯車とは円すい角がほぼ等しい。第１の回転軸を軸方向に移動可能に支持手段４ａ、４ｂが支持する。第１の回転軸の軸方向に推力を付勢手段１５ａが付勢する。第１の回転軸の軸端部に付勢手段が付勢した推力を支持し第１の回転軸の径方向の変位を許容する荷重支持体８を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は歯車装置に係り、特にアクチュエータに好適な歯車装置に関する。

円すい歯車対を用いた歯車装置の従来例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の歯車装置では、少なくとも一方の歯車のピッチ面が円筒面で、歯すじは回転軸線に対して円すい角だけ傾いており、この歯すじに沿って歯のモジュールは変化していない。そして、転位係数と歯車の外形寸法は一次的に変化している。さらに少なくとも一方の歯車を軸方向に移動させる弾圧機構を設けている。これにより、円すい歯車の特徴を併有しつつバックラッシを除去または調整可能になっている。

特開平６−２５７６６０号公報

円すい歯車の円すい角は、一般に小さく数度であることが多い。その理由は、図３に示すように、円すい歯車の転位係数が、歯の一方の端部では大きく、他方では小さくなるからである。つまり、歯数の小さな小歯車においては、転位係数が大きな端部では歯先が尖り、転位係数が小さな端部では歯元側でアンダカットを生じるおそれがある。この不具合は、円すい角や歯幅が大きくなったり、歯数が小さくなると生じる。

円すい歯車の軸方向に推力を負荷すると、歯面にはこの推力に比べてはるかに大きな反力が生じる。そしてこの反力は、円すい角が小さくなるほど大きくなる。そのため、上記特許文献１に記載のような、小さな円すい角を持つ円すい歯車対の一方を軸方向に押し付ける構造では、歯面に生じる反力は極めて大きくなる。その結果、歯車や軸受の寿命が短縮されるとともに、歯車装置の騒音や振動が増加する。

本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、円すい歯車を用いる歯車装置において、調整を容易にするとともにバックラッシを低減することにある。また、歯車装置において、歯車や軸受を長期に亘って使用可能にすることにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、第１の回転軸に設けた円すい小歯車と、この第１の回転軸にほぼ平行な第２の回転軸に取り付けられ円すい小歯車に噛み合う円すい大歯車とを有し、小歯車と大歯車とは円すい角がほぼ等しく形成されている歯車装置において、第１の回転軸を軸方向に移動可能に支持する支持手段と、この第１の回転軸の軸方向に推力を付勢する付勢手段と、第１の回転軸の軸端部に設けられ付勢手段が付勢した推力を支持し第１の回転軸の径方向の変位を許容する荷重支持体とを備えたことにある。

そしてこの特徴において、荷重支持体の軸方向位置を調節可能にする手段を設けるのがよく、付勢手段が付勢する推力の一部を、小歯車及び大歯車の歯面に導くのがよい。また、荷重支持体を前記第１の回転軸に当接する位置に配置し、この荷重支持体の硬度を、第１の回転軸よりも低くしてもよく、第１の回転軸が荷重支持体と当接する部位を凸球面に形成してもよい。さらに、支持手段は転がり軸受であり、荷重支持体をこの転がり軸受の外輪に当接させてもよく、支持手段を保持する第１の軸受ハウジングと、第２の回転軸を支持する他の支持手段と、この他の支持手段を保持する第２の軸受ハウジングとを設け、第１の軸受ハウジングと第２の軸受ハウジングとを弾性体を介して当接させるのが好ましい。また、第１の回転軸の曲げ方向ばね定数が支持手段の径方向ばね定数よりも小さいことが好ましく、弾性体のヤング率が第１の回転軸のヤング率よりも小さいことが望ましい。

本発明によれば、特許請求の範囲に記載のように歯車装置を構成したので、歯車の両歯面を密着状態に維持でき、バックラッシを極力低減できる。その結果、高精度な位置決めが可能となる。また、軸方向の推力の一部を荷重支持体が分担するので、推力に対応して歯面に発生する反力が小さくなり、歯車や軸受を長期に亘って継続使用することが可能となる。

以下、本発明に係る歯車装置のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１は、歯車装置１００の縦断面図である。本図では、ロボット腕駆動用アクチュエータ等に使用される小型の歯車装置１００を示している。

駆動電動機１の中心部には、ロータコア２とこのロータコア２に一体的に形成され一方端側に長く延在した小歯車軸３とを有する。ロータコア２の外周部には、このロータコア２と間隔を置いてステータコア６が配置されている。ステータコア６の軸方向両端部には、電動機ハウジング５ａ、５ｂが取り付けられている。電動機ハウジング５ａ、５ｂの内周側には、小歯車軸３を回転可能に支持する小歯車軸受４ａ、４ｂが保持されている。なお、駆動電動機１は、例えばステッピングモータのような制御用電動機である。

小歯車軸３の長く延ばした側には、円すい小歯車７ａが形成されている。小歯車軸受４ａは、この円すい小歯車７ａとロータコア２との間に配置され、小歯車７ａを片持ち支持する。一方、小歯車軸受４ｂは、小歯車とは反対端側の電動機ハウジング５ｂに保持されている。小歯車軸受４ａ、４ｂは、いずれも深溝玉軸受のような転がり軸受である。

反小歯車側に設けた小歯車軸受４ｂの外輪を付勢するために、押しばね１５ａが電動機ハウジング５ｂの内周側に保持されている。押しばね１５ａで発生した推力の一部を支持する荷重支持体８が、小歯車軸３の小歯車７ａが設けられた端部に配置されている。荷重支持体８は、歯車箱１１の壁面に保持される。ここで、小歯車軸３を軸方向には拘束していないので、小歯車軸３は軸方向に移動可能になっている。

小歯車７ａとほぼ平行に、大歯車軸１０が配置されている。大歯車軸１０の中間部には、小歯車７ａに噛み合う大歯車７ｂが取り付けられている。大歯車軸１０では、大歯車７ｂの軸方向両側のところに大歯車軸受９ａ、９ｂが取り付けられており、大歯車軸１０を回転可能に支持している。この大歯車軸受９ａ、９ｂも転がり軸受であり、外輪側は歯車箱１１に保持されている。大歯車軸１０の一端部には、ロータリーエンコーダ１２が取り付けられており、大歯車軸１０の回転速度を検出する。ロータリーエンコーダ１２は、一端側が歯車箱１１に固定されたエンコーダ押さえ１３により、歯車箱１１に固定される。歯車箱１１は、小歯車７ａと大歯車を収容するもので箱形の形状をしており、小歯車軸３側では、電動機ハウジング５ａに接続されている。

このように構成した歯車装置１００では、小歯車７ａ及び大歯車７ｂのいずれもが、円すい角がほぼ等しい円すい歯車である。そしてこれらの歯車７ａ、７ｂが設けられた小歯車軸３及び大歯車軸１０は、互いに平行に配置されている。押しばね１５ａが発生する軸方向に小歯車軸３を付勢する推力の一部は、小歯車軸３の軸端に設けた荷重支持体８により支持される。荷重支持体８と当接する小歯車軸３の端部を凸球面形状にして、小歯車軸３が径方向に拘束されないようにしている。

小歯車７ａと小歯車軸受４ａとの軸方向の中間部には、軸径が小歯車軸受４ａの内径及び小歯車７ａの大径側外径よりも小さな部分３ｘを形成している。その結果、軸直角方向の力が小歯車７ａに作用すると、小歯車軸３は小径部３ｘでたわむ。荷重支持体８と小歯車７ａとが接していないときには、押しばね１５ａによる推力は、小歯車７ａの歯面がすべて負担することになる。荷重支持体８の軸方向位置は調整可能であるから、荷重支持体８の軸方向位置を調整して小歯車７ａの歯面及び荷重支持体８の双方で推力を分担させることができる．小歯車軸３は硬度の高いステンレス鋼製であり、荷重支持体８には小歯車軸３よりも硬度の低い、例えばポリアセタールのような樹脂を用いる。

この歯車装置１００の動作を、以下に説明する。駆動電動機１に通電すると、ロータコア２および小歯車軸３、小歯車軸３と一体に形成された小歯車７ａが回転する。小歯車７ａが回転すると、この小歯車７ａに噛み合う大歯車７ｂも回転し、大歯車７ｂに動力が伝達される。荷重支持体８と小歯車７ａが接していないときには、押しばね１５ａによる推力を歯車の歯面が全部負担することは上述した。この場合、小歯車７ａと大歯車７ｂの歯面は、負荷側および反負荷側のいずれも密着しており、バックラッシは完全にゼロの状態になる。このとき歯面に発生する反力は、くさびの効果により押しばね１５ａの推力よりも大きい。その結果、歯面の摩耗が促進される恐れがある。そこで、荷重支持体８の軸方向位置を調整して、小歯車軸３に作用する推力を、荷重支持体８と小歯車７ａの歯面の双方で分担させる。小歯車７ａの歯面に発生する反力を、低減できる。

このとき、小歯車７ａの負荷側歯面と反負荷側歯面は、反力により密着しているので、バックラッシをほとんどなくすことができ、小歯車７ａの回転は正確に大歯車７ｂに伝達される。大歯車軸１０の回転角度をエンコーダ１２で計測しているので、計測した回転角度を歯車装置の制御に用いれば、任意の角度で正確に大歯車軸１０を停止させることができる。

ところで、歯車７ａ，７ｂや歯車軸３，１０、歯車箱１１を製作するときは、製作誤差が付きまとう。また、これらの各部材に動力伝達のために、力が作用すると、応力により弾性変形する。さらに、環境温度等が変化すれば、各部材は熱変形する。これらの場合には、噛み合う一対の歯車７ａ，７ｂがバックラッシを有していないと、歯車装置１００の各部が強制的に変形させられて運転される。その結果、各部のばね定数に応じた内力が、反力として発生する。従来の歯車装置では、小歯車軸の歯車側軸端部を小歯車軸受で支持していたので、小歯車軸３の曲げばね定数が非常に高く、形状誤差により発生する内力も大きくなる。そのため、歯車や軸受が、早期に損傷しやすかった。

本実施例では、一方の小歯車軸受４ａを小歯車７ａとロータコア２との間に、他方の小歯車軸受４ｂを小歯車７ａとは反対側の軸端部に設けて、小歯車７ａを片持ち構造としている。これにより、小歯車軸３の曲げばね定数が低下する。小歯車７ａと小歯車軸受４ａとの間に小径部３ｘを形成し、小歯車軸３の軸端部に配置した荷重支持体８が小歯車７ａを径方向に拘束しない凸球面形状としたので、小歯車軸３の曲げばね定数をさらに低下させている。この結果、製作誤差等の形状誤差により発生する内力が小さくなり、歯車７ａや軸受４ａ、４ｂの負荷が小さくなる。また、小歯車軸３の径を軸方向に変化させれば、小歯車軸３のばね定数をコントロール可能である。その際、軸受４ａ，４ｂの径方向ばね定数よりも小歯車軸３の曲げ方向ばね定数を小さくすれば、製作誤差および組み立て誤差や変形に起因する内力を小さくできる。

歯車装置１００を長期間使用すると歯面が摩耗し、初期の状態とは負荷条件等が変化する。この作動状態の変化をも考慮して、歯車装置１００を製作する必要がある。図４（ａ）〜（ｄ）に、本実施例による歯車装置１００を長期間運転したときの作動状態の変化を示す。領域Ａは、主として荷重支持体８が推力を支持する領域であり、領域Ｂは主として小歯車７ａの歯面が推力を支持する領域である。

初期状態では領域Ａでの運転となる。領域Ａでは、小歯車軸３に作用する推力に起因する歯面荷重が少なく、荷重支持体８の分担荷重が多い。小歯車７ａの硬度を荷重支持体８の硬度よりも高くしているので、荷重支持体８が歯面よりも先に摩耗する。この結果、荷重支持体８の分担荷重は減少し、小歯車７ａの歯面の分担荷重が増大する。このまま運転を継続すると、分担荷重の減少により荷重支持体８の摩耗の進行は止まる。一方、分担荷重が増大した小歯車７ａの歯面が摩耗し始める領域Ｂに移行する。歯面の摩耗により、バックラッシは増加傾向となるが、小歯車７ａは押しばね１５ａにより付勢されているので、歯面の摩耗に伴い小歯車７ａは軸方向に緩やかに移動する。このとき、負荷側歯面と反負荷側歯面の密着状態は、維持される。歯面が所定量摩耗すると、再び荷重支持体８の分担荷重が増加し、領域Ａに移行する。このサイクルが繰り返され、バックラッシが長期にわたり小さいままになる。

本発明に係る歯車装置１００の他の実施例を、図２を用いて説明する。図２は、歯車装置１００の縦断面図である。本実施例は、上記実施例とは推力を付与する押しばね１５ｂと荷重支持体８ｂの位置が相違する。すなわち、小歯車７ａとロータコア２との間であって、小歯車軸受４ａよりも小歯車７ａ側に、押しばね１５ｂを配置する。押しばね１５ｂは、歯車箱１１とステータコア６間に配置した電動機ケーシング５ｃに保持される。押しばね１５ｂは、小歯車軸受４ａの外輪に推力を付与する。

一方、荷重支持体８は、電動機ケーシング５ｂの内径側であって小歯車軸受４ｂに隣接して保持される。荷重支持体は、小歯車軸受４Ｂの外輪に作用する押しばね1５Ｂにより付勢された推力の大部分を支持する。例えば、荷重支持体８の外周部および電動機ハウジング５ａ〜５ｃの内壁に、互いに嵌合するねじのような回転方向の位置調整手段を設ける。小歯車７ａは軸方向に拘束されていないので、荷重支持体８の軸方向位置を、ねじを回転して調整する。これに追随して、小歯車７ａの軸方向位置も変化する。なお、小歯車７ａ及び大歯車７ｂを収容する歯車箱１１、ステータコア６を狭持する電動機ケーシング５ｂ、５ｃを別個に形成している。そして、歯車箱１１と電動機ケーシング５ｃとの接続部に、ゴムやプラスチックシートのような弾性体１４を介在させている。その他は、上記実施例と同様の構成である。

このように構成した本実施例では、駆動電動機１に通電すると、ロータコア２が回転し、小歯車７ａから大歯車７ｂに動力が伝達される。荷重支持体８の位置を調整すると、バックラッシを可能な限り少なくでき、小歯車７ａの回転を正確に大歯車７ｂに伝達できる。また、電動機ハウジング５ｃと歯車箱１１とを、弾性体１４を介して結合したので、小歯車７ａで軸直角方向に荷重が作用しても、電動機ケーシング５ｃと歯車箱１１とが相対的に変位可能であり、軸直角方向荷重により発生した内力を解放できる。その際、弾性体１４のヤング率を小歯車軸３のヤング率よりも小さくすれば、より変形を助長できる。この結果、歯車７ａや軸受４ａ、４ｂの荷重が小さくなる。長期に亘り、歯車７ａや軸受４ａ、４ｂを交換する必要がない。

本実施例の歯車装置を長期間使用すると、当然小歯車及び大歯車の歯面が摩耗してバックラッシが増大するが、小歯車と反対側の軸端近傍に設けられた荷重支持体の位置を調整できるので、荷重支持体の位置を調整してバックラッシを小さくする。したがって本実施例の歯車装置では、設計時に想定した運転パターンと異なる使用形態であっても、客先で極めて容易にバックラッシ調整を実施できる。つまり、顧客の多様な運転パターンの要求に対応できる。

本発明に係る歯車装置の一実施例の正面図である。 本発明に係る歯車装置の他の実施例の正面図である。 円すい歯車の歯形を説明する図である。 歯車歯面と荷重支持体の摩耗特性を説明する図である。

符号の説明

１…電動機、２…ロータコア、３…小歯車（第１の回転）軸、４ａ，４ｂ…小歯車軸受、５ａ〜５ｃ…電動機ハウジング、６…ステータコア、７ａ…（円すい）小歯車、７ｂ…（円すい）大歯車、８、８ａ…荷重支持体、９ａ，９ｂ…大歯車軸受、１０…大歯車（第２の回転）軸、１１…歯車箱、１２…エンコーダ、１３…エンコーダ押さえ、１４…弾性体、１５ａ，１５ｂ…付勢手段。

Claims (10)

1. 第１の回転軸に設けた円すい小歯車と、この第１の回転軸にほぼ平行な第２の回転軸に取り付けられ前記円すい小歯車に噛み合う円すい大歯車とを有し、前記小歯車と大歯車とは円すい角がほぼ等しく形成されている歯車装置において、前記第１の回転軸を軸方向に移動可能に支持する支持手段と、この第１の回転軸の軸方向に推力を付勢する付勢手段と、第１の回転軸の軸端部に設けられ前記付勢手段が付勢した推力を支持し第１の回転軸の径方向の変位を許容する荷重支持体とを備えたことを特徴とする歯車装置。
2. 前記荷重支持体の軸方向位置を調節可能にする手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の歯車装置。
3. 前記付勢手段が付勢する推力の一部を、前記小歯車及び大歯車の歯面に導いたことを特徴とする請求項１または２に記載の歯車装置。
4. 前記荷重支持体を前記第１の回転軸に当接する位置に配置し、この荷重支持体の硬度を、前記第１の回転軸よりも低くしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の歯車装置。
5. 前記第１の回転軸が前記荷重支持体と当接する部位を凸球面に形成したことを特徴とする請求項４に記載の歯車装置。
6. 前記支持手段は転がり軸受であり、前記荷重支持体をこの転がり軸受の外輪に当接させたことを特徴とする請求項１に記載の歯車装置。
7. 前記荷重支持体の軸方向位置を調節可能にする手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載の歯車装置。
8. 前記支持手段を保持する第１の軸受ハウジングと、前記第２の回転軸を支持する他の支持手段と、この他の支持手段を保持する第２の軸受ハウジングとを設け、前記第１の軸受ハウジングと第２の軸受ハウジングとを弾性体を介して当接させたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の歯車装置。
9. 前記第１の回転軸の曲げ方向ばね定数が前記支持手段の径方向ばね定数よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の歯車装置。
10. 前記弾性体のヤング率が前記第１の回転軸のヤング率よりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の歯車装置。
    
    

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