JP2009030684A

JP2009030684A - 磁気歯車減速機

Info

Publication number: JP2009030684A
Application number: JP2007193774A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Hara; 一敬原
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2009-02-12

Abstract

【課題】歯車の噛合部が非接触である磁気歯車減速機において、減速比を大きく取ることができ、一般の接触式の歯車と同程度の伝達トルク／体積重量を得ることの可能な磁気歯車減速機の構造を提供する。
【解決手段】入力軸１０２に設けられた偏心体１０８と、該偏心体１０８が嵌合され、該偏心体１０８により揺動回転する第１磁気歯車１１０と、該第１磁気歯車１１０と軸方向において対峙して磁気的噛合すると共に、ケーシング１１８、１２０、１２２に固定されて該第１磁気歯車１１０の歯数より僅少の差で歯数の多い第２磁気歯車１１６と、前記第１磁気歯車１１０に設けられたキャリアピン孔１１４に遊嵌され、該第１磁気歯車１１０の回転成分を取出すキャリアピン１２４と、該キャリアピン１２４に連結された出力軸１３０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気を利用した歯車により非接触でトルクを伝達する磁気歯車減速機に関する。

減速機の主流は、インボリュートの平又ははす歯歯車を用い、その歯数比によって減速を行うものである。このような減速機は自動車をはじめ、あらゆる産業において広く用いられている。

この種の減速機の問題点としては、減速機の歯車を構成する金属同士の接触に起因するものがほとんどである。それは、接触による振動・騒音の発生、歯車の寿命、及び潤滑油を必ず必要とすること、などである。

これに対し、その問題を解決する１つの方法として減速機を用いず、モータと負荷をダイレクトで結合することが挙げられる。モータの回転速度を制御するドライバの性能が向上し、また、永久磁石を用いた小型のモータが製作可能となるなど技術的な進展があったこと、また、クリーンルームなど従来の工場とは異なる環境の工場に設置するなど潤滑剤を使用する減速機の存在をなくしたいという環境側からの要請によるものである。

しかし、モータドライバの低速回転における効率の問題や、価格の問題、またモータの小型化に限界がある点などにより、容易に置き換えができない事情も存在する。今後もこのような減速機が必要とされる領域が存在し、その領域はロボットなど装置の小型化が必然とされる分野では成長を続けていくと考えられる。

こういった状況の中で、前記問題を解決するもう１つの方法として、金属の接触をなくし磁気による吸引・反発により減速機構を実現するための歯車及び歯車機構の使用が挙げられる。例えば、歯車の歯面に磁力を付加し、互いに反発する力により噛合する歯車同士の空隙を確保して、歯車同士を非接触にする特許文献１に示す磁気歯車が提案されている。また、対峙させた磁気歯を有する回転円盤の磁気歯の比により、入力された回転を減速する特許文献２に示す磁気歯車が提案されている。

特公平６−５２０９６号公報特開２００５−１１４１６２号公報

しかしながら、特許文献１に示す磁気歯車では、単位体積又は単位重量あたりの伝達トルク（以下伝達トルク／体積重量）は小さくならざるを得ず、急激な負荷変動時には歯面が接触することがあり、また伝達トルクの脈動が発生し易いなどの構造的な欠陥が内在する。

また、特許文献２に示す磁気歯車においては、減速比を大きくしようとすると磁気歯の噛合い面積が小さくなりすぎるために減速比を大きく取れず、また、伝達トルク／体積重量は、一般のインボリュート形状の歯形を用いた減速機の１／４から１／５になってしまうという問題が生じていた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、歯車の噛合部が非接触である磁気歯車減速機において、減速比を大きく取ることができ、一般の接触式の歯車と同程度の伝達トルク／体積重量を得ることの可能な磁気歯車減速機の構造を提供することを課題とする。

本発明は、入力軸に設けられた偏心体と、該偏心体が嵌合され、該偏心体により揺動回転する第１磁気歯車と、該第１磁気歯車と軸方向において対峙して磁気的噛合すると共に、ケーシングに固定されて該第１磁気歯車の歯数より僅少の差（１乃至５）で歯数の多い第２磁気歯車と、前記第１磁気歯車に設けられたキャリアピン孔に遊嵌され、該第１磁気歯車の回転成分を取出すキャリアピンと、該キャリアピンに連結された出力軸と、を有することにより前記課題を解決したものである。

本発明によれば、第１磁気歯車が、偏心体の回転によりケーシングに固定された第２磁気歯車と非接触で磁気的噛合して揺動回転する。このとき、第１磁気歯車に設けられたキャリアピン孔に遊嵌されたキャリアピンにより第１磁気歯車の回転成分が取出される。減速比は、第１磁気歯車の歯数に対する第２磁気歯車と第１磁気歯車歯数との歯数の僅少の差（１乃至５）で定まるので、例えば、第１磁気歯車の歯数の対の数が５０対で歯数の対の数の差（僅少の差）が１の場合には、１／５０という高い減速比を実現することができる。

本発明によれば、磁気歯の噛合面積を飛躍的に増やすことができ、一般の減速機と伝達トルク／体積重量において同程度の値を得ることができる。

また、減速機が小型である場合には、例えば、自己潤滑性素材で形成されている偏心体を使用することで、潤滑油を使用しないようにすることが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の例を詳細に説明する。

図１は本実施形態に係る磁気歯車減速機の断面図、図２は偏心体を示す縦断面図及び測面図、図３は第１磁気歯車を模式的に示す正面図及び側面図、図４は第２磁気歯車を模式的に示す正面図及び側面図、図５は第１及び第２磁気歯車の噛合状態を表すスケルトン図、である。

最初に、本実施形態の磁気歯車減速機の構成について、図１から図４を用いて説明する。

磁気歯車減速機１００は、入力軸１０２に設けられた偏心体１０８と、偏心体１０８が嵌合されて、該偏心体１０８により揺動回転する第１磁気歯車１１０と、を有する。又、磁気歯車減速機１００は、第１磁気歯車１１０と軸方向において対峙して磁気的噛合する第２磁気歯車１１６であって、磁気歯車減速機１００のケーシングに固定されて第１磁気歯車１１０の歯数より僅少の差で歯数の多い第２磁気歯車１１６を有する。更に、磁気歯車減速機１００は、前記第１磁気歯車１１０に設けられたキャリアピン孔１１４に遊嵌され、第１磁気歯車１１０の回転成分を取出すキャリアピン１２４と、該キャリアピン１２４に連結された出力軸１３０と、を有する。

なお、磁気的な噛合、あるいは磁気的噛合とは、第１磁気歯車１１０に交互に異極配列されて着設された放射状形状に成形された永久磁石（単に磁気歯と称する）のＮ（Ｓ）極（Ｎ（Ｓ）極磁気歯と称する）が非接触で、対峙する第２磁気歯車１１６に交互に異極配列されて着設されたＳ（Ｎ）極磁気歯と図１の入力軸１０２の方向で重なり磁気的に引き合う状態をいうものとする。また、磁気歯はＮ極磁気歯とＳ極磁気歯で対を成すため、歯数は、磁気歯の対の数で数えるものとする。

以下、各構成要素について詳細に説明する。

前記入力軸１０２は、図１に示す如く、一対の軸受１０４、１０６によって軸支されている。軸受１０４は、ケーシングを形成する入力段カバー１２０によって、軸受１０６は、出力軸１３０と一体であるフランジ体１２８の内面によって、支えられている。偏心体１０８は、軸受１０４、１０６の間の入力軸１０２に取付けられて固定されている。図２に示す如く、偏心体１０８の中心と入力軸１０２の中心は、偏心量ｅ１だけずれている。そして、偏心体１０８は、入力軸１０２周りに位置がずれないようにキー溝１０８ａを有する。また、偏心体１０８は、後述する第１及び第２磁気歯車１１０、１１６の磁気的吸着を防止して、一定の間隔を空けるための第１磁気歯車止め１０８ｂが形成されている。なお、ケーシングは、入力段カバー１２０、ケーシング本体１１８、出力段カバー１２２から構成される。

前記第１磁気歯車１１０は、図３に示す如く、その歯先外径がｄ２の円盤形状を有する。その外周に沿って、Ｎ極磁気歯とＳ極磁気歯とが交互に異極配列されて着設されている。すなわち、図３に示す如く、第１磁気歯車１１０の円周上には歯先外径ｄ２、歯元内径Ｄ２の円環状のＮ、Ｓ極磁気歯群（単に磁気歯群と称する）が構成される。このとき、これらＮ及びＳ極磁気歯の形成形状は、例えば、インボリュート形状とすることができる。なお、第１磁気歯車１１０は、中央部に偏心体孔１１２を有し、偏心体１０８の外周に嵌合されている。すなわち、第１磁気歯車１１０の内側に偏心体１０８が配置される。また第１磁気歯車１１０は、その他にも貫通した２以上のキャリアピン孔１１４、例えば、４つを同一円周上に等間隔に有し、平行ローラ１２６が遊嵌される。なお、図１に示す平行ローラ１２６の直径ｄ１は、式（１）で示すように、キャリアピン孔１１４の直径Ｄ１から偏心体１０８の偏心量ｅ１の２倍を引いた値以下である。

ｄ１≦Ｄ１―２＊ｅ１・・・・（１）

第１磁気歯車１１０は、偏心体１０８の回転により揺動回転し、第２磁気歯車１１６と磁気的噛合する。第１磁気歯車１１０の磁気歯の対の数は、本実施形態では例えば、永久磁石のＮ、Ｓ極で５０対（Ｎ極磁気歯数５０とＳ極磁気歯数５０）とすることができる。

前記第２磁気歯車１１６は、歯先外径がｄ３の円盤形状を有し、ケーシングを形成する出力段カバー１２２に固定されている。第２磁気歯車１１６は、第１磁気歯車１１０と同様に、外周に沿って、Ｎ極磁気歯とＳ極磁気歯とが交互に異極配列されて着設されている。すなわち、図４に示す如く、第２磁気歯車１１６の円周上には歯先外径ｄ３、歯元内径Ｄ３の円環状の磁気歯群が構成される。このとき、これら磁気歯の形成形状は、例えば、第１磁気歯車１１０と円滑に噛合するインボリュート形状とすることができる。ここで、第１及び第２磁気歯車１１０、１１６が互いにほぼ全周に渡り対峙するので、第１磁気歯車１１０の磁気歯群の歯先外径ｄ２が、第２磁気歯車１１６の磁気歯群の歯先外径ｄ３以下であり、第２磁気歯車１１６の磁気歯群の歯元内径Ｄ３以上である。そして、第１磁気歯車１１０は揺動回転したときにも第２磁気歯車１１６とほぼ全周に渡り対峙するために、第２磁気歯車１１６の磁気歯群の歯元内径Ｄ３は第１磁気歯車１１０の磁気歯群の歯先外径ｄ２から偏心体１０８の偏心量ｅ１の２倍を引いた値以下とするのが好ましい。また、第１磁気歯車の磁気歯群の歯元内径Ｄ２は第２磁気歯車の磁気歯群の歯先外径ｄ３から偏心体１０８の偏心量ｅ１の２倍を引いた値以下とするのが好ましい。すなわち以下の式（２）、（３）、（４）を満たすと良好な噛合が実現できる。

Ｄ３≦ｄ２≦ｄ３・・・・（２）
Ｄ３≦ｄ２―２＊ｅ１・・・・（３）
Ｄ２≦ｄ３―２＊ｅ１・・・・（４）

第２磁気歯車１１６は、僅少の差（１乃至５）で第１磁気歯車１１０よりも磁気歯の対の数が多くなるように設定されるが、例えば、歯数の対の数の差を１に設定し、永久磁石のＮ、Ｓ極で５１対（Ｎ極磁気歯数５１とＳ極磁気歯数５１）とすると１／５０という大きな減速比が得られると共に、第１磁気歯車１１０と第２磁気歯車１１６の磁気的噛合も円滑に行わせることができる。

前記キャリアピン１２４が連結固定されているフランジ体１２８は、第２磁気歯車１１６の軸方向外側に配されている。キャリアピン１２４にはパイプ状の平行ローラ１２６が挿嵌され、平行ローラ１２６は第１磁気歯車１１０のキャリアピン孔１１４に遊嵌されている。従ってキャリアピン１２４は、第２磁気歯車１１６と非接触で磁気的噛合する第１磁気歯車１１０の回転成分を取出す軸として機能する。

前記出力軸１３０は、キャリアピン１２４と連結されたフランジ体１２８と一体であり、一対の軸受１３２、１３４を介して出力段カバー１２２によって支持されている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

入力軸１０２を介して図示しない動力源から動力が伝達されると、入力軸１０２に取付け固定された偏心体１０８も偏心回転する。本実施形態では、最大に偏心している回転角度のときに最も強力に磁気的噛合がなされる構成としているため、作用的には偏心体１０８の偏心方向が円周方向に移動することで、第１磁気歯車１１０と第２磁気歯車１１６との磁気歯が円周方向で順番に噛合して、その噛合位置が順次ずれていくことになる。第２磁気歯車１１６がケーシングに固定されていることにより、偏心体１０８が１回転した段階で第１磁気歯車１１０は、第２磁気歯車１１６との磁気歯の対の数の差、すなわち１対分だけ、偏心体１０８の回転方向と逆方向に回転する。この回転成分、すなわち自転成分が、キャリアピン孔１１４に遊嵌されたキャリアピン１２４及び平行ローラ１２６を介してフランジ体１２８に取出される。この際に平行ローラ１２６がキャリアピン１２４を中心に回転する。なお、第１磁気歯車１１０の揺動成分はキャリアピン孔１１４に対するキャリアピン１２４及び平行ローラ１２６の遊嵌によって吸収されているので、第１磁気歯車１１０の自転成分のみが取出される。従って、入力軸１０２の回転は、（第１磁気歯車１１０と第２磁気歯車１１６の磁気歯の対の数の差）／（第１磁気歯車１１０の磁気歯の対の数）にまで減速されることとなる。本実施形態においては、第１磁気歯車１１０の磁気歯の対の数は５０、第２磁気歯車１１６の磁気歯の対の数は５１、歯数の対の数の差は１であるので、減速比は、１／５０である。このフランジ体１２８の減速された回転は、フランジ体１２８と一体に形成された出力軸１３０へと伝達され、図示しない負荷へ動力を伝達することとなる。

上述のように、第１磁気歯車１１０の歯数の対の数が５０対で、歯数の対の数の差（僅少の差）が１なので、１／５０という高い減速比を実現することができる。

又、第１磁気歯車１１０と第２磁気歯車１１６において、式（２）、（３）、（４）を満足するので、偏心体１０８により、第１磁気歯車１１０が揺動回転しても、第１磁気歯車１１０と第２磁気歯車１１６とは、永久磁石のＮ極とＳ極とを交互に異極配列して円環状に着設された放射状の磁気歯群のほぼ全周に渡り対峙する。ここで、図５に、第１磁気歯車１１０の磁気歯の対の数が５０対で、第２磁気歯車１１６の磁気歯の対の数が５１対の場合における磁気的噛合状態を示す。第１磁気歯車１１０においては、ハッチング部分をＳ極、白抜きをＮ極として、第２磁気歯車１１６においては、ハッチング部分をＮ極、白抜きをＳ極としている。すなわち、白抜き部分、及びハッチング部分同士が重なるときに、強い磁気的噛合いが生じていることを示す。図５から明らかなように、円周の１／３を優に超える円周部分Ａで相互の磁気歯が強固に噛合している。これは、この円周部分Ａで第２磁気歯車１１６側からの十分な噛合反力を得られていることを示している。円周部分Ｃ及びＤでは磁気的噛合がなされていないが、第１及び第２磁気歯車１１０、１１６の円周部分Ａの直径方向反対側で、図５の円周部分Ｂでも相互の磁気歯が強固に噛合している。従って、円周部分Ｂでも第２磁気歯車１１６側からの十分な噛合反力を得られていることを示している。従って、遊星歯車のように歯車の一端で噛合わせが生じる場合に比べて、本実施形態では大きな伝達トルク／体積重量を伝達することが可能となることは明らかである。加えて、第１及び第２磁気歯車１１０、１１６の磁気歯は放射状であるので、磁気的噛合わせ面積を増やすことができる。

又、本実施形態に示すように、第１及び第２磁気歯車１１０、１１６の放射状の磁気歯がインボリュート形状であるために、磁気的噛合わせ面積を飛躍的に増やすことができるので、伝達トルクを更に大きくすることができ、一般の減速機と伝達トルク／体積重量において同程度の値を得ることができる。

又、本実施形態の磁気歯車減速機１００は、金属の歯同士の接触がなく、磁気歯による噛合を行うので、次のような効果を併せて得ることができる。振動・騒音の発生が防止できるので高効率で、音の静かな減速機を実現することが可能である。また、金属疲労や磨耗などによる歯車の寿命もないので、メンテナンスフリーあるいはメンテナンスサイクルの長い減速機を実現することができる。

又、第１磁気歯車１１０と第２磁気歯車１１６は非接触であり、磁気的な噛合により動力を伝達するために、従来の機械的な歯車の噛合によって生じていた応力集中を低減出来るので、従来必要とされた歯車の噛合のための局所的な高い剛性を必要とせず、磁気歯車減速機１００の全体として構造を軽量・簡略化することができる。

入力軸１０２の偏心体１０８は一般に鋼製のものを用いるので、例えば、□２００ｍｍ程度の大きさの減速機であった場合には、第１磁気歯車１１０と第２磁気歯車１１６を含めて偏心体１０８を潤滑油に浸けるか、偏心体１０８をグリース封止式のものにする必要があるが、本実施形態の磁気歯車減速機１００が小型の場合においては、偏心体１０８、キャリアピン１２４、平行ローラ１２６、あるいはその表面を自己潤滑性素材で形成することができ（例えば、金属性すべり軸受の採用、あるいはプラスチック化やフッ素樹脂コーティング）、その際には、伝達トルクが小さく、摺動する際の摩擦力によるロスも少なく、更に物理的な摺動部分も少ないので、摺動抵抗を低減でき、潤滑油を全く使用しないことにすることも可能である。なお、その際には出力軸１３０に、同様の自己潤滑性素材である、例えば、プラスチックを使用することも可能である。

上記実施形態では、第１磁気歯車１１０の磁気歯の対の数が５０対で、第２磁気歯車１１６の磁気歯の対の数が５１対であったが、本発明はこれに限定されるものではない。又、第１磁気歯車１１０の磁気歯の対の数と、第２磁気歯車１１６の磁気歯の対の数との差が１だけでなく、１乃至５の僅少の差とすることも本発明に含まれる。

又、磁気歯車減速機１００は、上記に限定されるものではなく、例えば、平行ローラ１２６を使用せずに、キャリアピン１２４だけをキャリアピン孔１１４に遊嵌させてもよい。この場合には平行ローラ１２６を備えるよりも低コストとすることができる。

又、本実施形態のように、第１磁気歯車１１０が１つに限定されるものではない。複数の第１及び第２磁気歯車１１０、１１６を有して、例えば、第２磁気歯車１１２を２つの第１磁気歯車１１０で挟む構造とすることもできる。この場合には、第１磁気歯車１１０と第２磁気歯車１１６との磁気的噛合面積を更に増やすことができるため、より大きな伝達トルク／質量体積とすることが可能である。

又、本実施形態では、偏心量ｅ１、第１磁気歯車１１０、及び第２磁気歯車１１６は式（２）〜（４）を満足していたが、本発明はこれらの式に限定されるものではない。すなわち、本実施形態で示した式（２）〜（４）を満たさないときであっても、第２磁気歯車１１６が第１磁気歯車１１０の歯数のよりも僅少の差だけ歯数が多く、且つ第１磁気歯車１１０が第２磁気歯車１１６に対して揺動回転している磁気歯車減速機１００であれば、本発明に含まれる。例えば、第１磁気歯車１１０が第２磁気歯車１１６に対して揺動回転したときにほぼ全周で重ならずに一部でのみ重なるような偏心量ｅ１の設定であっても、あるいは、第１磁気歯車１１０、及び第２磁気歯車１１６を他の形状的な条件によって設定しても、本発明はそのように設定された磁気歯車減速機１００に適用可能である。更には、磁気歯の歯数の対の数の差が２、あるいは３であるときには、第１磁気歯車１１０、及び第２磁気歯車１１６が重なる領域内で、磁気的噛合が複数個所生じることとなるが、この場合も本発明の設計裁量の範囲で大きな伝達トルク／体積重量の実現が可能である。特に、第１磁気歯車１１０が第２磁気歯車１１６に対して揺動回転したときに全周で重ならずに一部でのみ重なるように上記条件を設定したときには、その重なる部分だけで磁場解析を行い、最適な設計を行うことが可能となるので、第１磁気歯車１１０と第２磁気歯車１１６の設計を容易にすることも可能である。

本実施形態に係る磁気歯車減速機の断面図偏心体を示す縦断面図及び測面図第１磁気歯車を模式的に示す正面図及び側面図第２磁気歯車を模式的に示す正面図及び側面図第１及び第２磁気歯車の噛合状態を表すスケルトン図

符号の説明

１００…磁気歯車減速機
１０２…入力軸
１０４、１０６、１３２、１３４…軸受
１０８…偏心体
１０８ａ…キー溝
１０８ｂ…第１磁気歯車止め
１１０…第１磁気歯車
１１２…偏心体孔
１１４…キャリアピン孔
１１６…第２磁気歯車
１１８…ケーシング本体
１２０…入力段カバー
１２２…出力段カバー
１２４…キャリアピン
１２６…平行ローラ
１２８…フランジ体
１３０…出力軸

Claims

入力軸に設けられた偏心体と、
該偏心体が嵌合され、該偏心体により揺動回転する第１磁気歯車と、
該第１磁気歯車と軸方向において対峙して磁気的噛合すると共に、ケーシングに固定されて該第１磁気歯車の歯数より僅少の差で歯数の多い第２磁気歯車と、
前記第１磁気歯車に設けられたキャリアピン孔に遊嵌され、該第１磁気歯車の回転成分を取出すキャリアピンと、
該キャリアピンに連結された出力軸と、
を有することを特徴とする磁気歯車減速機。
請求項１において、
前記第１及び第２磁気歯車は、永久磁石のＮ極とＳ極とを交互に異極配列して円環状に着設された放射状の磁気歯群を有する円盤である
ことを特徴とする磁気歯車減速機。
請求項２において、
前記第１磁気歯車の磁気歯群の歯先外径は、前記第２磁気歯車の磁気歯群の歯先外径以下で、且つ該第２磁気歯車の磁気歯群の歯元内径以上である
ことを特徴とする磁気歯車減速機。
請求項３において、
前記第２磁気歯車の磁気歯群の歯元内径が前記第１磁気歯車の磁気歯群の歯先外径から前記偏心体の偏心量の２倍を引いた値以下であり、
且つ、該第１磁気歯車の磁気歯群の歯元内径が該第２磁気歯車の磁気歯群の歯先外径から該偏心体の偏心量の２倍を引いた値以下である
ことを特徴とする磁気歯車減速機。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記偏心体が、自己潤滑性素材で形成されている
ことを特徴とする磁気歯車減速機。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記キャリアピンの少なくとも表面が、自己潤滑性素材で形成されている
ことを特徴とする磁気歯車減速機。
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記第１及び第２磁気歯車が複数存在するときに、該第２磁気歯車が２つの該第１磁気歯車で挟まれている
ことを特徴とする磁気歯車減速機。