JP2007239938A

JP2007239938A - 減速装置

Info

Publication number: JP2007239938A
Application number: JP2006065764A
Authority: JP
Inventors: Hideji Kajita; 秀司梶田; Mitsuharu Morisawa; 光晴森澤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: JP4706065B2

Abstract

【課題】低コストで高減速比を達成でき、出力軸の回転回数に制約のない減速装置を提供する。
【解決手段】モータの回転を減速して出力する減速装置において、出力軸に連結されたタイミングプーリを含む複数のタイミングプーリ間にタイミングベルトを張り、該タイミングベルトと噛み合う位置にタイミングベルトの歯のピッチと異なるピッチの歯を有するラックを固定的に設け、タイミングベルトを挟んでラックと対峙する位置に複数の偏心カムを設け、該複数の偏心カムをモータに連結する。また、モータの回転を減速して出力する減速装置において、出力軸に連結されたタイミングプーリを含む複数のタイミングプーリ間にタイミングベルトを張り、該タイミングベルトと噛み合う位置にタイミングベルトの歯のピッチと異なるピッチの歯を有する内歯歯車を固定的に設け、タイミングベルトを挟んで内歯歯車と対峙する位置に偏心カムを設け、該偏心カムをモータに連結する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの回転を歯車列等を用いることなく減速して出力する減速装置に関し、例えば、サーボモータの回転を減速して適切な速度とトルクでロボットの腕や脚を駆動するために用いる減速装置に関するものである。

ほとんどのロボットにおいては、高速低トルクのサーボモータの回転を適切な速度とトルクに変換するために１／５０〜１／３００程度の高い減速比をもつ減速器が必要となる。このための減速装置としては、通常ハーモニックドライブ（商品名）や遊星歯車減速器などが用いられる。しかしこれらは特殊な材料と高精度の加工を要する部品で構成されており一般に高価であるため、ロボットの低価格化と普及を妨げている。
この問題を解決する手段の一つとして、特開２０００−６５１７５号公報に開示された減速装置は、サーボモータでねじ棒を回転させて得られるナットの直線運動を金属平ベルトで取り出し、さらに平プーリによって回転運動に変換するものである（以下、「従来技術」という。）。

特開２０００−６５１７５号公報

上記従来技術に係る減速装置は安価な部品を使いながら高い減速比を確保できる点で優れているが、回転角を大きく取ろうとすると長いねじ棒を用いる必要があり、高速回転部の慣性モーメントが増大してしまう。これによって可減速特性が低下するため、急加速、急減速の必要なロボットには適さないという問題をもつ。また、出力段で金属平ベルトの端を平プーリに固定しているため有限回数の回転しか行えず、出力に無限回数の回転が必要な場合には用いることができない。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は低コストで高減速比を達成でき、さらに出力軸の回転回数に制約のない減速装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の減速装置は、モータの回転を減速して出力する減速装置において、出力軸に連結されたタイミングプーリを含む複数のタイミングプーリ間にタイミングベルトを張り渡し、該タイミングベルトの歯と噛み合う位置にタイミングベルトの歯のピッチと異なるピッチの歯を有するラックを固定的に設け、タイミングベルトを挟んでラックと対峙する位置に複数の偏心カムを設け、該複数の偏心カムをモータに連結してなることを特徴としている。
また、本発明の減速装置は、モータの回転を減速して出力する減速装置において、出力軸に連結されたタイミングプーリを含む複数のタイミングプーリ間にタイミングベルトを張り渡し、該タイミングベルトの歯と噛み合う位置にタイミングベルトの歯のピッチと異なるピッチの歯を有する内歯歯車を固定的に設け、タイミングベルトを挟んで内歯歯車と対峙する位置に偏心カムを設け、該偏心カムをモータに連結してなることを特徴としている。
また、本発明の減速装置は、モータの回転を減速して出力する減速装置において、モータに連結された偏心カムと平プーリとの間にタイミングベルト１を歯面を外側にして張り渡し、タイミングベルトを挟んで偏心カムと対峙する位置に内歯歯車を固定的に設け、スライダをタイミングベルトに固定してなることを特徴としている。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）本発明は、ハーモニックドライブ（商品名）や遊星歯車減速器などの特殊な材料と高精度の加工を要する部品で構成する必要がないことから、低コストで高減速比を達成できる減速装置を売ることができる。また、例えば、ロボットの減速機として本発明に係る減速装置を採用することによりロボットの低価格化と普及を計ることができる。
（２）また、本発明は、低コストで高減速比を達成できる減速装置において出力軸の回転回数に制約のない減速装置を得ることができる。

本発明に係る減速装置の最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

図１は、本発明の減速装置に係る実施例１の全体を概略説明する斜視図である。
タイミングベルト１は、内面に歯２５が形成された歯付きベルトから形成されたものであって、タイミングプーリ２と３の間に渡されてタイミングプーリ２、３の周面の歯２６、２６と噛み合いながら駆動されるようになっている。タイミングベルト１は、ゴム、ウレタン等から形成されている。
タイミングベルト１の直線部の外面に近接するように、且つ、タイミングベルト１の外面と平行で、かつ、その移動方向と直交する方向に回転軸を有するようにして複数の偏心カム４、５、６、７、８が設けられている。また、タイミングベルト１の直線部の内側に近接し、タイミングベルト１を挟んで前記偏心カム４、５、６、７、８と対峙する位置に、装置に固定されたラック９が設けられている。前記複数の偏心カム４、５、６、７、８は、偏心カム４を基準として、その突出部が順に反時計回りに９０度づつずれた形に構成されている。このため、複数の偏心カム４、５、６、７、８が回転することにより、タイミングベルト１の外面が順次ラック９側に押圧され、タイミングベルト１の歯２５とラック９の歯２７とが順次噛み合うように設定されている。

１０はサーボモータであって、その出力軸が偏心カム４の回転軸と連結され、偏心カム４を回転駆動するようになっている。偏心カム４及び他の偏心カム５、６、７、８は、クランクロッド１１により連結され、偏心カム４の回転駆動力は他の偏心カム５、６、７、８に伝達される。

今、サーボモータ１０が偏心カム４を回転させると、その回転はクランクロッド１１を経由して他の偏心カム５、６、７、８にも伝わる。５つの偏心カム４、５、６、７、８の回転によって、タイミングベルト１を装置に固定されたラック９に端から順に押し付けてゆく。ラック９の歯２７とタイミングベルト１の歯２５とは歯ピッチ（隣り合う歯の間隔）すなわち単位距離における歯数が異なるため、偏心カム４の１回転につきタイミングベルト１は異なる歯数分だけ進む。タイミングベルト１の運動はタイミングプーリ２に伝わり旋回軸１２を介してアーム１３を回転させる。

図２（１）〜（５）は、図１の減速装置においてその核心をなすタイミングベルト１、偏心カム４〜８、ラック９の位置関係を時間を追って順に示したものである。
まず、図２の（１）で基本構成を説明する。
偏心カム４〜８は、図１で示したクランクロッド１１によって結合されているため同じ速さで同方向に回転する。ここで、偏心カム４〜８は矢印で示すように時計回りの回転とする。５つの偏心カム４〜８は、タイミングベルト１をラック９へ順序良く押し付けるように、偏心位置が、例えば図２（１）で示すように、偏心カム４を基準として、偏心カム５〜８はその突出部が順に反時計回りに９０度づつずれた形に構成されている。
その結果、図２（１）の状態では偏心カム４と偏心カム８によってタイミングベルト１がラック９に押し付けられている。

ここで、ラック９の歯２７の歯ピッチはタイミングベルト１の歯２５の歯ピッチと一致しておらず、この図の例では、ラック９の歯数が２４枚であるのに対し、ラック９と同じ長さに設けられたタイミングベルト１の歯数は２５枚である。このため、ラック９とタイミングベルト１はその全長にわたって噛み合うことが出来ない。噛み合う位置は、図２（１）の状態では偏心カム４と８、同（２）の状態では偏心カム５、同（３）の状態では偏心カム６、同（４）の状態では偏心カム７、同（５）の状態では再び偏心カム４と８となる。
（１）から（５）に至ったとき，タイミングベルト１はラック９に対して丁度歯ピッチ（歯ピッチとは、隣り合う歯の間隔を意味する。）１つだけずれた状態になることが、タイミングベルト１につけた印１４によってわかる。
以上説明したように、偏心カム４が１回転するとタイミングベルト１がラック９の歯２７の１つの歯ピッチ分だけずれる運動が発生する。この運動は図１のタイミングプーリ２によって回転運動に変換され、軸１２を介してアーム１３を回転する。
例えば、タイミングプーリ２の歯数が１００であれば，偏心カム４が１００回転するとタイミングプーリ２が１回転することとなり、１／１００の減速が実現される。
なお、偏心カム４〜８とタイミングベルト１の間に発生する剪断力を低減するため、偏心カム４〜８の外周には図示しない薄肉ベアリングを取り付ける等の摩擦低減手段を施すことが望ましい。

図２では一例としてラック９の歯数を２４としたが、一般的なラック９の歯数とピッチの設定について以下に述べる。まず、タイミングベルト１の歯ピッチ（隣り合う歯の間隔）をｐ（単位mm）とし、ラックの長さＬ（単位mm）を次式できめる。
L = Np
ここでＮは適当な整数であり，望ましいラックの長さに応じて決定する。一方、ラックの歯数はＮ-1または、Ｎ+1に設定する。ラックの歯ピッチｐ’（単位mm）は次式となる。
p’ = L/(N-1) または p’=L/(N+1)
また、上記実施例１の減速器の減速比（回転軸１２の回転速度／サーボモータ１の回転速度）は、タイミングプーリ２の歯数をＭとすると１／Ｍとなる。

なお、実施例１においてサーボモータ１０と偏心カム４の間に歯車や別のタイミングベルトによる伝達手段を設けることにより、初段の減速を行ったり、サーボモータ１０の配置の変更を行ってもよい。また、偏心カムの個数は５個に限るものではなく、３個以上の任意の個数であってよい。この場合、Ｃを偏心カムの個数として隣り合う偏心カムの間の回転角のずれ量を３６０°／（Ｃ−１）に設定すればよい。また、隣り合う偏心カムの動力伝達手段はクランクロッド１１に限るものではなく、別のタイミングベルトや歯車等、任意の公知の手法を用いても良い。さらに出力軸における剛性をあげるため、タイミングベルト１に変わり金属製の歯付きベルトを用いてもよい。この場合、上記の特許文献１に示されているようにタイミングプーリ２に対して金属ベルトを固定することにより剛性向上を図ってもよい。ただし、無限回転は不可能となる。

次に、本発明の実施例２を図３に基づいて説明する。
なお、図１に付したと同じ符号は、特にことわらない限り、同じものを示している。
内面に歯２５を持つタイミングベルト１は、３つのタイミングプーリ２、１５、１６によって張られており、１８０°位相のずれた偏心カム１７と１８によって内歯歯車１９に交互に押し付けられるようになっている。サーボモータ１０に直結された偏心カム１７、１８がサーボモータ１０により回転させられると、タイミングベルト１の上半分と下半分を交互に内歯歯車１９に押し付ける。２つの偏心カム１７、１８の外周に沿ったタイミングベルト１内面の歯数と内歯歯車１９の歯数が１つ食い違っているため、偏心カム１７、１８半回転につきタイミングベルト１が内歯歯車１９の歯２８の歯ピッチ１つ分だけ進められる。タイミングベルト１の運動はタイミングプーリ２によって回転運動に変換され、軸１２を介してアーム１３を回転する。

図４（１）〜（３）は、図３において減速装置の核心をなすタイミングベルト１、偏心カム１７、１８、内歯歯車１９およびタイミングプーリ１５、１６の位置関係を時間を追って順に示したものである。
まず図４（１）で基本構成を説明する。
タイミングプーリ１５、１６の間でタイミングベルト１が偏心カム１７、１８によって内歯歯車１９の内部に沿うように変形させられている。ここで図を簡単にするため、タイミングベルト１、偏心カム１７、１８、タイミングプーリ１５、１６を一点鎖線によって示している。
この例では内歯歯車１９の歯数は２６であるのに対し、内歯歯車１９の内部に入りこんでいるタイミングベルト１の歯数は２５と１つだけ不足するように設計されている。図４（１）の状態では、偏心カム１７、１８によってタイミングベルト１は内歯歯車１９の入り口に押し付けられ噛み合っている。
図４（２）では、サーボモータ１０によって偏心カム１７、１８が時計回りに９０度回転した状態を示している。この状態ではタイミングベルト１は内歯歯車１９の奥に押し付けられて噛み合う。
図４（３）では、偏心カム１７、１８がさらに時計回りに９０度回転し、噛み合い位置が図４（１）と同じ位置に戻る。この過程でタイミングベルト１と内歯歯車１９の歯数差によってタイミングベルト１は白抜きの矢印の方向へ歯ピッチ１つ分だけ送られることが図のタイミングベルトの歯に示した印２０によってわかる。

上記のようにしてタイミングベルト１の運動はタイミングプーリ２によって回転運動に変換される。ここでタイミングプーリ２の歯数が１００であれば、偏心カムが５０回転するとタイミングプーリ２が１回転することとなり，１／５０の減速が実現される。
なお、偏心カム１７、１８とタイミングベルト１の間に発生する剪断力を低減するため、偏心カム１７、１８の外周には薄肉ベアリングを取り付ける等の摩擦低減手段を施すことが望ましい。

また、実施例２においてサーボモータ１０と偏心カム１７、１８の間に歯車や別のタイミングベルトによる伝達手段を設けることにより、初段の減速を行ったり、サーボモータの配置の変更を行ってもよい。また、偏心カムの形状は偏心カムに限るものではなく、タイミングベルトに適切な変形を与えるものであればよい。さらに出力軸における剛性をあげるため，タイミングベルトに変わり金属製の歯付きベルトを用いてもよい。この場合、上記特許文献１に示されているようにタイミングプーリ２に対して金属ベルトを固定して剛性向上を図ってもよい。ただし、無限回転は不可能となる。

次に、本発明の実施例３を図５を用いて説明する。
なお、図３に付したと同じ符号は、特にことわらない限り、同じものを示している。
この例では、実施例２と同様のメカニズムを用いるが、出力を直線運動として取り出す点が異なる。タイミングベルト１は歯面を外側にして、偏心カム１７、１８および平プーリ２１の間に張り渡される。スライダ２２はタイミングベルト１に固定され案内レール２３の上を摺動する。実施例２において説明したようにサーボモータ１０、偏心カム１７、１８、内歯歯車１９によってサーボモータ１０の１回転あたり内歯歯車１９の歯２８の２ピッチづずタイミングベルト１が変位し、これをスライダ２２によって減速された直線運動として取り出すことができる。

本発明の減速装置に係る実施例１の全体を概略説明する斜視図である。図１の減速装置においてその核心をなすタイミングベルト、偏心カム、ラックの位置関係を時間を追って順に示した説明図である。本発明の減速装置に係る実施例２の全体を概略説明する斜視図である。図３において減速装置の核心をなすタイミングベルト、偏心カム、内歯歯車およびタイミングプーリの位置関係を時間を追って順に示した説明図である。本発明の減速装置に係る実施例３の全体を概略説明する斜視図である。

符号の説明

１タイミングベルト
２、３タイミングプーリ
４〜８偏心カム
９ラック
１０サーボモータ
１１クランクロッド
１２軸
１３アーム
１５、１６タイミングプーリ
１７、１８偏心カム
１９内歯歯車
２１平プーリ
２２スライダ
２３案内レール
２５〜２８歯

Claims

モータの回転を減速して出力する減速装置において、出力軸に連結されたタイミングプーリを含む複数のタイミングプーリ間にタイミングベルトを張り渡し、該タイミングベルトの歯と噛み合う位置にタイミングベルトの歯の歯ピッチと異なる歯ピッチの歯を有するラックを固定的に設け、タイミングベルトを挟んでラックと対峙する位置に複数の偏心カムを設け、該複数の偏心カムをモータに連結してなることを特徴とする減速装置。
モータの回転を減速して出力する減速装置において、出力軸に連結されたタイミングプーリを含む複数のタイミングプーリ間にタイミングベルトを張り渡し、該タイミングベルトの歯と噛み合う位置にタイミングベルトの歯の歯ピッチと異なる歯ピッチの歯を有する内歯歯車を固定的に設け、タイミングベルトを挟んで内歯歯車と対峙する位置に偏心カムを設け、該偏心カムをモータに連結してなることを特徴とする減速装置。
モータの回転を減速して出力する減速装置において、モータに連結された偏心カムと平プーリとの間にタイミングベルト１を歯面を外側にして張り渡し、タイミングベルトを挟んで偏心カムと対峙する位置にタイミングベルトの歯の歯ピッチと異なる歯ピッチの歯を有する内歯歯車を固定的に設け、スライダをタイミングベルトに固定してなることを特徴とする減速装置。