JP2007024072A - 内接式遊星歯車機構（インボリュート型減速機構） - Google Patents

Abstract

【課題】
１枚歯数差のインボリュート型の内接式遊星歯車機構を提供する。
【解決手段】
歯数Ｘのインボリュート内歯車と、歯先が干渉しないような所定の転位係数を有する歯数（Ｘ−１）のインボリュート外歯車とからなり、インボリュート外歯車が偏心運動することを前提に、日本歯車工業会の歯車規格のＪＧＭＡの与えられている許容値の範囲外の値で転位係数を設計した。
特に、歯数４０のインボリュート内歯車の転位係数を1.0となし、歯数３９の外歯車のインボリュート外歯車の転位係数を0.2とした場合に、歯先の干渉を防ぐことができ、スムーズに偏心運動できることを知見し、実際に試作機も製作し、がたつきが無く極めてスムーズに回転することを確認した。
【選択図】図１

Description

本発明は、主としてモーター減速機に使われる内接式遊星歯車機構の技術に関するものである。

従来の減速機用の内接式遊星歯車機構としては、固定式太陽内歯車の中に味噌擂り運動をする遊星歯車が噛みあって設けられ、この遊星歯車をクランクで回転させて減速させるものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
このような従来の減速機用の内接式遊星歯車機構では、側面歯形が干渉をするように設計されており、また、側面干渉する歯形に設計することが一般的に常識とされていた。
また、内接式遊星歯車機構の場合は、最大の減速比を得ることのできる１枚歯数差のものは、歯先の干渉を生じるため実現不可能とされており、現在のところ商品化されているものは見当たらない。

サイクロ減速機６０００シリーズ（住友重機械）Ｅ−２４頁

上述の如く、従来の内接式遊星歯車機構では、内歯車と外歯車との歯数差が少ないほど大きい減速比が得られるが、一般のインボリュート型では歯先の干渉を生じるために、この機構を１枚歯数差で利用することはできないとされていた。
本発明は、従来実現不可能とされていたインボリュート型で１枚歯数差の内接式遊星歯車機構を実現することを目的としている。

本発明者らは、１枚歯数差の内接式遊星歯車機構実現のために、種々のアイデアを出し、工夫をし、試作品を作製して努力した結果、本発明に係る内接式遊星歯車機構（インボリュート型の減速機構）を完成した。

本発明の第１の観点からは、歯数Ｘのインボリュート内歯車と、歯先が干渉しないような所定の転位係数を有する歯数（Ｘ−１）のインボリュート外歯車とからなり、前記インボリュート外歯車が偏心運動することを特徴とする内接式遊星歯車機構が提供される。ここで、Ｘは２７乃至１２０の値から選択される。
通常の設計においては、インボリュート内歯車と外歯車の転位係数は、歯車の噛み合い効率を考慮して、日本歯車工業会の歯車規格であるＪＧＭＡ（日本歯車工業会規格）の与えられている許容値の範囲内の値にするのであるが、あえて、許容値の範囲外の値で設計したのである。

すなわち、ＪＧＭＡの与えられている許容値の範囲内では、通常、インボリュート内歯車の転位係数とインボリュート外歯車の転位係数の合計値が１を越えることはないが、本発明者らは、インボリュート内歯車の転位係数とインボリュート外歯車の転位係数の合計値が、１より大きく1.24より小さい値の範囲であれば、偏心運動することを前提にしてた場合に、歯先の干渉が生じないことを見い出したのである。外歯車が回転運動ではなく偏心運動することを前提にして、歯先の設計を行ったのである。

１〜４枚の歯数差の内歯車と外歯車の歯先が干渉チェックは、コンピューターシミュレーションを用いて実施し、思考錯誤にパラメータを設定し、幾度も繰り返して行った。
特に、Ｘが４０であるもの、歯数４０のインボリュート内歯車の中に、歯数３９のインボリュート外歯車が噛み合わされた内接式遊星歯車機構を実際に試作し、実用化可能であることを確認したのである。

１枚歯数差の歯数４０のインボリュート内歯車と歯数３９のインボリュート外歯車とからなる内接式遊星歯車機構をコンピューターシミュレーションしたところ、歯数４０のインボリュート内歯車の転位係数を1.0となし、歯数３９の外歯車のインボリュート外歯車の転位係数を0.2とした場合に、歯先の干渉を防ぐことができ、スムーズに偏心運動できることを知見したのである。実際に試作機も製作し、がたつきが無く極めてスムーズに回転することを確認した。

また、好ましくは、歯数４０のインボリュート内歯車の中に、歯数３９のインボリュート外歯車１個とバランスウエイトを設けることが良い。このバランスウエイトにより振動が緩和されるからである。

また、歯数４０のインボリュート内歯車が固定式となされ、歯数３９のインボリュート外歯車が遊動しうるようになされた内接式遊星歯車機構とすることで、小型軽量にできる利点がある。
逆に、歯数４０のインボリュート内歯車が遊動しうるようになられ、歯数３９のインボリュート外歯車が固定式となされた内接式遊星歯車機構としても良い。

また、本発明の別の観点からは、第１の観点の内接式遊星歯車機構において、インボリュート内歯車２個を所定角度だけずらして対称に重ね合わせて、インボリュート内歯車２個の中に、内歯車２個分の厚みを有するインボリュート外歯車１個が設けられた内接式遊星歯車機構が提供される。
この構成にすることで、インボリュート外歯車１個が、所定角度だけずらして対称に重ね合わせたインボリュート内歯車２個の中を偏心運動することで、バックラッシを無くすことが可能となるのである。

また、本発明のさらに別の観点からは、第１の観点の内接式遊星歯車機構において、インボリュート内歯車２個を対称に重ね合わせ、前記インボリュート内歯車２個の中に、所定角度だけずらして対称に重ね合わせられたインボリュート外歯車２個が設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内接式遊星歯車機構が提供される。この場合も、バックラッシを無くすことが可能となるのである。

本発明に係る内接式遊星歯車機構では、１／Ｘの減速が高効率で容易に得られるといった効果を有する。特に、Ｘが４０の場合の内接式遊星歯車機構を実際に製作し、現在、量産化に向けた開発を行っているところである。

また、本発明に係る内接式遊星歯車機構は、インボリュート型の歯車構造をとっているため、従来から１枚歯数差の内接式遊星歯車機構として採用されてきたサイクロイド型と比較して、歯先に焼きが入れやすく硬度を高めることができ、また、サイクロイド型とは異なり、部品点数も少なくてすみ、また、ピンなどを用いないことから容易にコンパクト化が可能である。

さらに、本発明に係る内接式遊星歯車機構は、インボリュート型の歯車構造をとっているため、サイクロイド型とは異なり、ピンのせん断の心配がなく、同じ材質、同じ歯数で比較した場合に許容トルクが２倍程度大きいといった効果もある。

以下、本発明に係る内接式遊星歯車機構の実施形態について、図面を参照しながら、詳細に説明していく。

図１は、本発明の内接式遊星歯車機構の一実施例を示す図である。ケーシングを兼ねる固定された内歯車１は、歯数が４０でモジュール２のインボリュート内歯車（転位係数1.0）であって、この中に、歯数が３９でモジュール２のインボリュート外歯車（転位係数0.2）２が噛み合わされて設けられている。歯数差は１で、内歯車の歯１０と外歯車の歯２０が干渉無く噛み合っている。
ここで、３はローラー付き出力ピンであり、外歯車２の出力孔２２の中に配設されている。４は転がり軸受け、５は偏心体である。

上記構造の内接式遊星歯車機構では、偏心体５からの回転入力は、外歯車２に伝達されるが、固定された内歯車１と遊星運動する外歯車２とのインボリュート歯同士の噛み合いで味噌擂り運動し、回転は１／４０に減速される。内歯車の歯１０と外歯車の歯２０が干渉することなく噛み合って回る。
このとき、外歯車２の運動は、出力孔２２を介してローラー付き出力ピン３に伝達され、回転力として減速して軸出力されることとなる。

下表１に、試作した本発明の内接式遊星歯車機構の一実施例の寸法等を示す。

なお、上記内歯車１を固定式とせず、外歯車２の方を固定式とし、内歯車１が味噌擂り運動をするようにしても良い。その場合は、偏心体５の動きを内歯車１に伝達する仕組みとすることができる。

次に、本発明の他の実施例を説明する。図２に、本発明の内接式遊星歯車機構の第２の実施例を示す図である。
ケーシングを兼ね、固定された内歯車１は、歯数が４０でモジュール２、転位係数1.0のインボリュート内歯車であって、この中に、遊星外歯車２が設けられている。外歯車２は、歯数は３９でモジュール２、転位係数0.2のインボリュート外歯車であって、内歯車１と噛み合わされている。内歯車の歯１０と外歯車の歯２０とは干渉することなく噛み合う。３はローラー付き出力ピンであり、外歯車２の出力孔２２の中に配設されている。４は転がり軸受け、５は偏心体である。そして、６はバランスウエイトである。このバランスウエイト６を設けることにより、外歯車が回転時にバランスが良くなり、振動が少なくなるのである。

図３と図４に、本実施例２に係る内接式遊星歯車機構を用いたモーター減速機の平面断面図と側面断面図を示す。モーター減速機のケーシングの内壁に外歯車２が形成されているのであるが、図４のモーター減速機の側面断面図における断面ａ−ａ´が、図３に示すもので、本実施例２に係る内接式遊星歯車機構である。外歯車２は、ローラー３１が付された出力ピン３２によって支えられ、偏心運動できるようになっている。モーター軸３５が回転することにより、外歯車２が遊星運動を起こし、固定された内歯車１と遊星運動する外歯車２とのインボリュート歯同士の噛み合いで味噌擂り運動となり、モーター軸３５の回転は１／４０に減速されて、出力軸３３の回転になるのである。

尚、本実施例では、出力ピン３２を６本用いているが、これに限定されるものではない。出力軸のトルク負荷により、出力ピン数の増減は可能である。ロボット等の応用を考慮した場合、小型化になることが予想されるが、本発明に係る内接式遊星歯車機構では、部品点数も少なくでき、かつ、トルク負荷のかかる出力ビン数も最小限にできるため、小型化に容易に対応できることが理解できよう。

次に、本発明の内接式遊星歯車機構の第３の実施例を説明する。
先ず、歯数が４０で、モジュールが２で、転位係数0.2の一対の同形の固定式のインボリュート内歯車４１と４２を対称に重ね合わせるように配設される。その中に、歯数３９、モジュール２、転位係数0.2のインボリュート外歯車４３と４４が配設される。外歯車４３と４４は、所定の角度だけずれて重ね合わせている。この外歯車４３と４４の歯先のずれは数ミクロン程度である。インボリュート外歯車を所定角度だけずらして対称に重ね合わせることにより、インボリュート外歯車４３と４４の歯の両側面の干渉が起こり、バックラッシが生じないようにすることができるのである。

図５と図６に、本実施例３に係る内接式遊星歯車機構を用いたモーター減速機の平面断面図と側面断面図を示す。モーター減速機のケーシングの内壁に２つの外歯車４１と４２が形成されているのであるが、図６のモーター減速機の側面断面図における断面ｂ−ｂ´が、図５に示すもので、本実施例３に係る内接式遊星歯車機構である。
図５では、２つの外歯車４１と４２の歯先のずれが最大になる場合を示しているが、実際には、１歯ずれで数ミクロン程度である。

２つの外歯車４１と外歯車４２は、ローラー４８が付された出力ピン４７によって支えられ、偏心運動できるようになっている。モーター軸４５が回転することにより、２つの外歯車４１と外歯車４２が各々遊星運動を起こし、固定された内歯車４１と内歯車４２と、遊星運動する外歯車４１と外歯車４２とのインボリュート歯同士の噛み合いで味噌擂り運動となり、モーター軸４５の回転は１／４０に減速されて、出力軸４９の回転になるのである。

本発明に係る内接式遊星歯車機構では、１／Ｘ減速機として単独もしくは他の歯車と組み合わせて汎用性の高い機械として利用することができ、また、モーターに組み込んでモーター減速機としても有用である。さらに、ロボットのマニュピュレータとして活用が期待できる。
一方で、Ｘ倍増速機として風力発電機や波力発電機などにも有用である。

本発明に係る内接式遊星歯車機構の一実施例を示す平面図 本発明に係る内接式遊星歯車機構の他の実施例を示す平面図 実施例２に係る内接式遊星歯車機構を用いたモーター減速機の平面断面図 実施例２に係る内接式遊星歯車機構を用いたモーター減速機の側面断面図 実施例３に係る内接式遊星歯車機構を用いたモーター減速機の平面断面図 実施例３に係る内接式遊星歯車機構を用いたモーター減速機の側面断面図

符号の説明

１ 内歯車
２ 外歯車
３ ローラー付き出力ピン
４ 軸受
５ 偏心体
６ バランスウエイト
１０ 内歯車の歯
２０ 外歯車の歯
２２ 出力孔
３０ 偏心体
３１ ローラー
３２ 出力ピン
３３ 出力軸
３４ 出力軸２
３５ モーター軸
３６ 継モーター軸
４１ 内歯車１
４２ 内歯車２
４３ 外歯車１
４４ 外歯車２
４５ モーター軸
４６ 偏心体
４７ 出力ピン
４８ ローラー
４９ 出力軸
５０ 出力軸２

Claims (9)

1. 歯数Ｘのインボリュート内歯車と、歯先干渉がない所定の転位係数を有する歯数（Ｘ−１）のインボリュート外歯車とからなり（ここで、Ｘは２７乃至１２０の値である。）、前記インボリュート外歯車が偏心運動することを特徴とする内接式遊星歯車機構。
2. 前記歯先干渉がない所定の転位係数は、インボリュート内歯車の転位係数とインボリュート外歯車の転位係数の合計値が、１より大きく、１．２４より小さい値となされたことを特徴とする請求項１に記載の内接式遊星歯車機構。
3. 歯数４０のインボリュート内歯車と、歯先干渉がない所定の転位係数を有する歯数３９のインボリュート外歯車とからなり、前記インボリュート外歯車が偏心運動することを特徴とする内接式遊星歯車機構。
4. 歯数４０のインボリュート内歯車の転位係数が１．０となされ、歯数３９のインボリュート外歯車の転位係数が０．２となされたことを特徴とする請求項３に記載の内接式遊星歯車機構。
5. 前記インボリュート内歯車の中に、前記インボリュート外歯車１個とバランスウエイトが設けられたことを特徴とする請求項１乃至４に記載の内接式遊星歯車機構。
6. 前記インボリュート内歯車が固定式となされ、前記インボリュート外歯車が遊動しうるようになされたことを特徴とする請求項１乃至５に記載のいずれかの内接式遊星歯車機構。
7. 前記インボリュート内歯車が遊動しうるようになされ、前記インボリュート外歯車が固定式となされたことを特徴とする請求項１乃至５に記載のいずれかの内接式遊星歯車機構。
8. インボリュート内歯車２個を所定角度だけずらして対称に重ね合わせ、前記インボリュート内歯車２個の中に、内歯車２個分の厚みを有するインボリュート外歯車１個が設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内接式遊星歯車機構。
9. インボリュート内歯車２個を対称に重ね合わせ、前記インボリュート内歯車２個の中に、所定角度だけずらして対称に重ね合わせられたインボリュート外歯車２個が設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内接式遊星歯車機構。