JP2008038943A - 歯車装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、シザース構造を必要なときにのみ形成し、バックラッシの防止と伝達容量の確保を両立させる。
【解決手段】互いに噛合する第１、第２歯車８６、８４から構成された、第１歯車８６が、第２歯車８４との動力伝達が可能な噛合状態を維持したまま軸方向Ｘに沿って離反・接近可能な一対の歯車体８７、８９で構成されたヘリカルギヤセット８８を用い、該ヘリカルギヤセット８８の停止時を含む無負荷〜軽負荷時において、付勢手段９６の付勢力により一対の歯車体８７、８９を互いに軸方向Ｘに離反させ、該ヘリカルギヤセット８８の定常運転時を含む中負荷〜高負荷において、アキシャル方向の分力により付勢手段９６の付勢力に抗して前記一対の歯車体８７、８９を互いに軸方向Ｘに接近させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、歯車装置及びその駆動方法に関する。

歯車の噛合によって動力を伝達する駆動系には、歯車同士の噛合に必ずバックラッシが存在する。そのため、回転方向が逆転するとき等において、駆動側の回転が直ちに出力側に反映されなかったり、また、当該バックラッシが詰められるときに、衝撃音が発生したりする不具合があることが指摘されている。また、特に軽負荷時にトルク変動があると、歯面同士が接触と離反を繰り返して耳障りな騒音を発生する原因となったりすることもある。

このバックラッシに起因する不具合の発生を防止する構成として、例えば特許文献１にいわゆる「シザース構造」と称される構造が開示されている。

この構造は、図５（Ａ）（Ｂ）に示されるように、駆動側の第１歯車１２が固定歯車体１４とスライド歯車体１６とで構成されている。両歯車体１４、１６は、ともに共通の被駆動側の第２歯車１８と噛合している。両歯車体１４、１６との間にはこのうちのスライド歯車体１６を軸方向Ｘ０に移動させるためにころ状の重錘部材２０が介在されている。この重錘部材２０に働く遠心力と楔の作用によりスライド歯車体１６は固定歯車体１４から軸方向Ｘ０に離反可能である。

スライド歯車体１６には、一対の波状歯面部材２２、２４が付設されている。この波状歯面部材２２、２４は、スライド歯車体１６が軸方向Ｘ０に移動した際に、該スライド歯車体１６をその円周方向Ｙ０に変位させる機能を有する。即ち、両歯車体１４、１６は、スライド歯車体１６が軸方向Ｘ０に移動することによって互いの円周方向Ｙ０の位相がずれる。この結果、固定歯車体１４が第２歯車１８の一方側の回転に対してバックラッシ零、スライド歯車体１６が同じ第２歯車１８の他方側の回転に対してバックラッシ零の状態が形成される。

なお、図の符号２６は、重錘部材２０を半径方向外側に付勢するためのばねである。このばね２６は、多少のトルク変動があっても常時両歯車体１４、１６を離反させるように機能し、両歯車体１４、１６を第２歯車１８に対し常にシザース状態に維持している。

上述したような「シザース構造」は、いずれの回転方向に対してもバックラッシを零にできるという利点があり、用途により強いニーズがある。

特開昭６２−３５１６４号公報

しかしながら、シザース構造には、軸方向に２枚並べられた歯車体のうち、一方の側の歯車体しか動力伝達に寄与できないという大きな問題がある。すなわち、前述した従来例で言うならば、被駆動側の第２歯車１８を一方の側に回転させるときには固定歯車体１４しか動力伝達に寄与し得ず、第２歯車１８を他方側に回転させるときにはスライド歯車体１６しか動力伝達に寄与し得ない。

この問題は、シザース構造が、いずれの回転方向に対しても一対の歯車体の片方ずつが相手側の歯車と強く接触した状態を保つという構造であることから、当該構造の持つ不可避的な問題と言える。

しかしながら、そのため、例えばバックラッシに関して無対策の装置と同じ伝達容量或いは耐久性を確保するためには、該無対策の装置と較べて軸方向長（及び重量）を増大せざるを得なかった。

本発明は、このような従来の問題を解消するためになされたものであって、「運転状態」という観点から抜本的に構造を考え直し、基本的にいわゆる「シザース構造」を採用してその利点を実質的に享受ながら、軸方向長、あるいは重量をほとんど増大させずに済ますことができる歯車装置及びその運転方法を提供することをその課題としている。

本発明は、互いに噛合する第１、第２歯車から構成され、動力伝達時にアキシャル方向の分力が発生するヘリカルギヤセットであって、前記第１歯車が、前記第２歯車との動力伝達が可能な噛合状態を維持したまま互いに軸方向に沿って離反・接近可能な一対の歯車体で構成されたヘリカルギヤセットと、該一対の歯車体のうち少なくとも一方の歯車体に、該一方の歯車体を相手方の歯車体に対して軸方向に変位させる付勢力を付与可能な付勢手段と、を備えた歯車装置により、上記課題を解決したものである。

また、本発明は、互いに噛合する第１、第２歯車から構成され、動力伝達時にアキシャル方向の分力が発生するヘリカルギヤセットであって、前記第１歯車が、前記第２歯車との動力伝達が可能な噛合状態を維持したまま互いに軸方向に沿って離反・接近可能な一対の歯車体で構成されたヘリカルギヤセットを用い、該ヘリカルギヤセットの少なくとも停止時を含む第１の運転状態において、前記付勢手段の付勢力により前記一対の歯車体を互いに軸方向の第１の位置に位置決めする工程と、該ヘリカルギヤセットの少なくとも停止時を含まない第２の運転状態において、前記アキシャル方向の分力により前記付勢手段の付勢力に抗して前記一対の歯車体を互いに軸方向の第２の位置に位置決めする工程と、を含む歯車装置の駆動方法により、同じく上記課題を解決したものである。

バックラッシの不具合が最も顕著に発生するのは、起動時及び軽負荷時など特定の運転状態にほぼ限定される。本発明では運転状態を考慮し、必要なときにのみ実質的にシザース構造を形成するようにする。即ち、本発明では、先ず、簡単な構造でシザース構造が得られるように、ギヤセットとして軸線に対して所定のねじれ角を有しているヘリカルギヤセットを用いる。このねじれ角の存在により、一対の歯車体のうちの一方側を軸方向に離反させるだけで（特に円周方向には回転させなくても）、第２歯車との噛合関係で「相対的に」シザース状態を形成することができる。

また、ヘリカルギヤセットは、このねじれ角の存在により、運転時にその時の伝達トルクに応じてスラスト力（アキシャル方向の分力）が発生するが、本発明では、このスラスト力を積極的に利用するべく、例えば、一対の歯車体を軸方向に離反させる時の付勢力をこのスラスト力との関係で所定の値に設定する。即ち、従来は、いかなる運転時にもシザース状態が崩れないような強い付勢力を付与するようにしていたが、本発明では、特定の運転時では該スラスト力の方が勝るような値、即ちシザース状態を維持できないような値に設定可能とし、シザース状態の形成が必要ないときには、両歯車体が共同して動力を伝達するようにする。換言するならば、第１歯車を構成する一対の歯車体が、第２歯車との「動力伝達が可能な噛合状態を維持したまま」互いに軸方向にそって離反・接近できるような構成とする。

詳細な作用は後に詳述するが、これにより、例えば、停止状態から回転を開始するときには、付勢手段によってシザース構造を形成することにより、バックラッシ零での立ち上がりを実現できる。また、例えば、伝達トルクが上昇して定常状態を含む中〜高負荷状態になったときには、一対の歯車体が「共同して」動力を伝達する状態が形成できるようにし、従来不可避とされていた「伝達容量が減少する」という問題を自動的に解消させるような構成も構築可能である。勿論、運転状態から減速して停止したときにシザース状態が再び自動的に形成されるように構成することも可能であり、更には、例えば、軽負荷運転時においてシザース構造を常に形成することにより、該軽負荷運転時において特に問題となりがちであったトルク変動に起因する噛合音の増大を防止できるというシザース構造本来の効果を得るように構成することも可能となる。

シザース構造によって得られる利点を享受しながら、従来不可避とされていた「伝達容量の減少」というこの構造特有の不具合が発生するのを防止できる。

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。

この実施形態では、本発明に係る歯車装置をギヤドモータの減速機に適用している。

図１を参照して、このギヤドモータ４０は、モータ５０、カップリング装置６０、及び減速機７０から主に構成されている。モータ５０のモータ軸５２は、カップリング装置６０のカップリング６２の一端側６２Ａと摩擦連結により一体化されている。カップリング６２の他端側６２Ｂは、減速機７０の入力軸７２と摩擦連結により一体化されている。なお、符号６４はカップリング装置６０のケーシング、６６はアダプタである。

減速機７０は、軸受７４、７６によって回転自在に支持された前記入力軸７２、及び軸受７８、８０によって回転自在に支持された出力軸８２を備える。また、この減速機７０は、減速機構（兼バックラッシ防止機構）として、入力軸７２に組み込まれたヘリカルピニオン（第２歯車）８４と、出力軸８２に組み込まれたヘリカルギヤ（第１歯車）８６とからなるヘリカルギヤセット８８を備える。このヘリカルギヤセット８８のうち、ヘリカルギヤ（第１歯車）８６の方が、一対の歯車体（モータ側歯車体と反モータ側歯車体）８７、８９で構成されている。

なお、本発明では、一対の歯車体で構成される方の歯車を便宜上第１歯車と定義しているが、この第１歯車は、駆動側に設定されてもよいし、従動側に設定されてもよい。

各歯車体８７、８９は、ヘリカルピニオン８４との動力伝達が可能な噛合状態を維持したまま、スプライン９０により、軸方向Ｘに沿って離反・接近可能である。

両歯車体８７、８９の対向面９２、９４にはそれぞれ凹部９２Ａ、９４Ａが形成されており、この凹部９２Ａ、９４Ａによって形成される空間Ｓにばね（付勢手段）９６が配置されている。ばね９６は一対の歯車体８７、８９の間に配置されて両歯車体８７、８９をそれぞれ離反させる方向に付勢している。このばね９６の最大伸長時における付勢力Ｐｓは、当該ギヤドモータ４０の出力軸８２に被駆動機械である負荷（図示略）が接続され、且つ当該負荷が接続されているときの定常運転時に該出力軸８２に発生すると考えられるアキシャル方向の分力（スラスト力）Ｐ０を超えない値、より具体的には該分力Ｐ０の４割〜７割程度の値（この実施形態では５割）に設定されている。なお、定常運転時の伝達トルクが大きく変動する用途のときは、モータ５０の定格出力での運転時をもって定常運転時と考えればよい。なお、この出力軸８２に発生する分力は、ヘリカルピニオン８４のアキシャル方向に発生する分力と等しい。

モータ側歯車体８７は軸受７８の内輪７８Ａ、シム９８及びスラストワッシャ９９によってその軸方向モータ側への移動が規制されており、反モータ側歯車体８９は、軸受８０の内輪８０Ａによってその軸方向反モータ側への移動が規制されている。

また、入力軸７２は、軸受７４、７６によりその軸方向Ｘの動きが規制されており、出力軸８２は軸受７８の内輪７８Ａ、シム９８及びスラストワッシャ９９、及び軸受８０の内輪８０Ａよりその軸方向Ｘの動きが規制されている。

次に、この実施形態の作用を説明する。

モータ５０が回転すると、カップリング６２を介して減速機７０の入力軸７２にその回転が伝達される。カップリング６２の一端側６２Ａはモータ軸５２と摩擦連結によって一体化されており、また、カップリング６２の他端側６２Ｂも減速機７０の入力軸７２と摩擦連結によって一体化されているため、モータ５０の回転はバックラッシ零の状態で該入力軸７２に伝達される。

ここで、図２〜図４を用いてヘリカルギヤセット８８によるバックラッシ防止に関する作用を詳細に説明する。

モータ５０が停止している状態（アキシャル方向の分力Ｐが零の状態）においては、ばね９６の付勢力Ｐｓにより、各歯車体８７、８９は離反されている（第１の状態）。このため、図１及び図４（Ａ）に示されるように、反モータ側歯車体８９はヘリカルピニオン８４の正転時に当接する側の歯面８４ａに、また、モータ側歯車体８７はヘリカルピニオン８４の逆転時に当接する側の歯面８４ｂとそれぞれ当接している。即ち、正逆両方向にバックラッシ零のいわゆるシザース状態が形成されている。従って、この状態からモータ５０が回転を開始する場合、いずれの方向に回転する場合であっても、バックラッシ零の起動が可能となる。

今、正転方向に回転が開始される場合を考えると、出力軸８２はヘリカルピニオン８４、反モータ側歯車体８９、及びスプライン９０を介してバックラッシ零の状態で回転を開始する。しかし、伝達トルクＴが上昇すると、ある時点からモータ側歯車体８７が反モータ側歯車体８９の側に引き寄せられ、該反モータ側歯車体８９と共に回転するような現象が起こる。

このメカニズムは必ずしも厳密には分析されていないが、おそらくは、ばね９６の付勢力Ｐｓ及びスラストワッシャ９９側からの付勢反力及びモータ側歯車体８７の慣性力等により、該モータ側歯車体８７にはその位置に止まろうとする回転方向の抵抗成分が発生し、これに対しヘリカルピニオン８４の正転側の歯面８４ａが追いついて回転力を与えるようになり、結局モータ側歯車体８７においてもトルク伝達が行われるようになるためであると推察される。

それは、モータ側歯車体８７側でもトルク伝達が行われるようになると、その伝達トルクＴのアキシャル方向の分力（反モータ側歯車体８９に発生するスラスト力と同方向のスラスト力）Ｐがモータ側歯車体８７にも発生するようになるが、このモータ側歯車体８７側に発生した分力Ｐは、伝達トルクＴの上昇と共に増大するため、該分力Ｐがばね９６の付勢力Ｐｓを上回った時点でモータ側歯車体８７は該付勢力Ｐｓに抗して反モータ側歯車８９側へと移動することになると解されるからである。

その結果、図２及び図４（Ｂ）で示されるように、両歯車体８７、８９は、互いに軸方向Ｘに接触した状態で共同してヘリカルピニオン８４の動力をスプライン９０を介して出力軸８２に伝達するようになる（第２の状態）。従って、ヘリカルギヤ（第１歯車）８６の伝達容量は両歯車体８７、８９の合計となり、耐久性が向上する。耐久性が同一で良い場合には、歯車体１枚当たりの軸方向厚さをより低減できる。この実施形態の場合、ばね９６が両歯車体８７、８９の凹部９２Ａ、９４Ａ内に収容されているため、軸方向長の低減効果が特に大きい。

なお、両歯車体８７、８９が共同して動力を伝達するときには、両歯車体８７、８９が均等に負荷を受け持つように、ヘリカルピニオン８４の歯面８４ａ（逆転時は歯面８４ｂ）に対する両歯車体８７、８９の回転方向（円周方向）の位相が自動的に補正される。

モータ５０が停止状態から逆転方向に回転を開始するときには、正転のときと左右方向の動きが対称になるだけで、全く同様の作用がなされる。即ち、起動直後には、図１及び図４（Ａ）のシザース状態が維持されるため、出力軸８２はヘリカルピニオン８４、モータ側歯車体８７、及びスプライン９０を介してバックラッシ零で直ちに回転を開始する（第１の状態）。

その後、反モータ側歯車体８９において発生するアキシャル方向の分力Ｐがばね９６の付勢力Ｐｓを上回った段階で、該反モータ側歯車体８９は付勢力Ｐｓに抗してモータ側歯車体８７側に移動し、該モータ側歯車体８７と接触する。この結果、図３及び図４（Ｃ）で示す状態となり、両歯車体８７、８９は共同してヘリカルピニオン８４の動力をスプライン９０を介して出力軸８２に伝達する（第２の状態）。従って、この場合もヘリカルギヤ（第１歯車）８６の伝達容量は両歯車体８７、８９の合計となる。

一方、モータ５０の回転が減速され、伝達トルクＴが小さくなると、ばね９６の付勢力Ｐｓが再びアキシャル方向の分力Ｐを上回るようになり、本来の回転方向と逆の歯面に付勢された側の歯車体８７または８９が、本来の回転方向の歯面に付勢された歯車体８９または８７から再度離反し、自動的に図１及び図４（Ａ）のシザース状態を再形成する（第１の状態）。そのため、次にモータ５０が回転を開始するときには、正転及び逆転のいずれの方向に回転するときにも、バックラッシ零での起動が可能となる。

また、接続されている被駆動機械の負荷が小さく、定常運転時での伝達トルクよりも軽い負荷での運転が行われるとき（例えばコンベヤ等を搬送物がない状態で駆動したり、工作機械の刃物を非切削状態で移動させたりするとき）には、発生するアキシャル方向の分力が付勢力Ｐｓを上回ることがないため、常に図１及び図４（Ａ）に示されるシザース状態が形成・維持されるようになる。そのため、バックラッシ零の状態での運転を継続でき、いわゆる脈動等に起因するトルク変動が発生したとしても、歯面同士が接触・離反を繰り返して騒音が増大するのを効果的に防止できる。

なお、上記実施形態においては、付勢手段としてばねが採用されていたが、本発明ではこれに限定されず、例えば、一対の歯車体のうち少なくとも一方の歯車体に対し、付勢力を磁力によって発生可能なマグネットユニットで構成するようにしてもよい。具体的には、上記実施形態の各歯車体８７、８９の凹部９２Ａ、９４Ａ内に、互いに反発する極を向かい合わせにした永久磁石（図示略）をそれぞれ配置しても同様な効果が得られる。

更には、歯車体８７、８９付近のケーシング９５Ａ、９５Ｂの形状を若干設計変更して凹部（図示略）を形成し、ここに歯車体８７、８９との間に吸引力を生じさせるマグネットユニット（図示略）を埋め込んでもよい。この吸引力を利用する手法は、シザーズ状態形成時が最も付勢力が強く、歯車体が移動し始めると、急速に付勢力が低下する傾向となるため、用途によってはより使い易い傾向となる。この際、ケーシング９５側のマグネットを電磁石として吸引力（付勢力）を可変とすることができれば、用途或いは運転状況に応じてシザース状態が維持される閾値をリアルタイムに変更するなど、より柔軟なバックラッシ制御を行うことが可能となる。更には、例えば、吸引力（付勢力）を正転方向と逆転方向とで変更することにより、正転方向に回転するときには回転開始から比較的長い所定期間に亘ってシザース状態が維持されるようにし、逆転方向に回転するときには、回転開始直後から両歯車体が共同して動力を伝達するように構成することも可能である。

なお、磁力を利用する場合は、（鉄粉等を吸着しないように）一対の歯車はステンレスやプラスチック等の被磁性体素材で製作することが好ましい。

簡単な構成でシザース構造によるバックラッシ零の効果を享受でき、しかも、従来のシザース構造では不可避とされる伝達容量の低下を実質的に回避できるため、特に位置制御の高精度化、軽負荷時の低騒音化と共に、小型化、低コスト化の要求される産業機械の駆動系等に広く適用可能である。

本発明に係る歯車装置の実施形態ギヤドモータの断面図 同ギヤドモータにおいて正転方向に所定値以上の動力が伝達されているときの断面図 同ギヤドモータにおいて逆転方向に所定値以上の動力が伝達されているときの断面図 図１〜図３の状態におけるヘリカルピニオンとヘリカルギヤの各歯車体の噛合状態を模式的に示す部分平断面図 従来のシザース構造の一例を示す（Ａ）断面図、及び（Ｂ）その矢視ＶＢ−ＶＢ線に沿う部分断面図

符号の説明

４０…ギヤドモータ
５０…モータ
６０…カップリング装置
７０…減速機
７２…入力軸
７４、７６、７８、８０…軸受
８２…出力軸
８４…ヘリカルピニオン（第２歯車）
８６…ヘリカルギヤ（第１歯車）
８８…ヘリカルギヤセット
８７、８９…歯車体
９０…スプライン
９２、９４…対向面
９２Ａ、９４Ａ…凹部
９６…ばね（付勢手段）
９８…シム
９９…スラストワッシャ

Claims (5)

1. 互いに噛合する第１、第２歯車から構成され、動力伝達時にアキシャル方向の分力が発生するヘリカルギヤセットであって、前記第１歯車が、前記第２歯車との動力伝達が可能な噛合状態を維持したまま互いに軸方向に沿って離反・接近可能な一対の歯車体で構成されたヘリカルギヤセットと、
   該一対の歯車体のうち少なくとも一方の歯車体に、該一方の歯車体を相手方の歯車体に対して軸方向に変位させる付勢力を付与可能な付勢手段と、
   を備えたことを特徴とする歯車装置。
2. 請求項１において、
   前記付勢手段が、
   前記ヘリカルギヤセットの少なくとも停止時を含まない所定の運転状態において前記第２歯車に発生する前記アキシャル方向の分力よりも小さな値に設定された付勢力を付与可能な構成とされた
   ことを特徴とする歯車装置。
3. 請求項１または２において、
   前記付勢手段が、前記一対の歯車体の間に配置されたばねで構成されている歯車装置。
4. 請求項１または２において、
   前記付勢手段が、前記一対の歯車体のうち少なくとも一方の歯車体に対し、前記付勢力を磁力によって発生するマグネットユニットで構成されている歯車装置。
5. 互いに噛合する第１、第２歯車から構成され、動力伝達時にアキシャル方向の分力が発生するヘリカルギヤセットであって、前記第１歯車が、前記第２歯車との動力伝達が可能な噛合状態を維持したまま互いに軸方向に沿って離反・接近可能な一対の歯車体で構成されたヘリカルギヤセットを用い、
   該ヘリカルギヤセットの少なくとも停止時を含む第１の運転状態において、前記付勢手段の付勢力により前記一対の歯車体を互いに軸方向の第１の位置に位置決めする工程と、
   該ヘリカルギヤセットの少なくとも停止時を含まない第２の運転状態において、前記アキシャル方向の分力により前記付勢手段の付勢力に抗して前記一対の歯車体を互いに軸方向の第２の位置に位置決めする工程と、
   を含むことを特徴とする歯車装置の駆動方法。

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