JP2009523966A - 摩擦ギヤ - Google Patents

Abstract

【課題】 オフィスのテーブルや組立て作業台、病院のベッド、窓、プロセスバルブなどの調節に使用されるアクチュエータはギヤテクノロジーの応用例である。従来のギヤテクノロジーは騒音の問題を有しスペースをも要する。摩擦ギヤは動作音が静粛であるが出力軸のアライメントエラーに敏感である。こうしたアライメントエラーはギヤのジオメトリを変化させ、このジオメトリ変化は微少スリップや効率悪化をもたらしまたはギヤの寿命を縮める。
【解決手段】 この摩擦ギヤの発明は出力軸のアライメントエラーに対し敏感ではない。その理論的に最適なギヤジオメトリは、動作中のスクリューの動揺時にさえも維持される。
図３ａは摩擦ギヤの原理を示している。図３ｂはスクリューが装着された出力軸が例えば２度傾斜しているときにどのようにして「微少スリップ」が生じるかを示している。図３ｃはこの発明によるギヤを示しており、固定されたレースウエイは球面状であって、出力軸に追従して運動するギヤ要素はすべて、前記固定された球面状レースウエイの中心に位置する点Ｃ１を中心としてその周りに回動（ここではギヤ中心軸から２度回動）する。
前記レースウエイの柔軟性は全てのボールに対し均等な荷重配分をもたらす。これにより前記レースウエイの許容誤差に対する要求度は減少し、ギヤ寿命は長くなる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、動作音が静粛でスリップを起こさない高効率の摩擦ギヤに関する。

（発明の背景と従来技術）
この発明は、重量物を前後または長短何れのストロークにおいても移動させることのできる直線的な力を生じる静粛で安価な機構を使用したいという要求に由来する。その外部荷重は、摩擦や重力あるいはスプリングの場合もある。この機構、さらにはアクチュエータは、できるだけ小さな容積のものでなければならない。

アクチュエータの応用技術としては、垂直移動可能なオフィステーブルや組立て作業台、病院のベッド、窓や自動車用座席の遠隔操作、バックラッシュの無いバルブの制御などである。低騒音、低製造コストの要求もときに非常に重要である。

これらの形式の応用技術において、そのモータには減速ギヤボックスを備え、減速ギヤボックスにはナットを備えたスクリューが装着されている。前記ナットは、移動されるべき対象物に装着されている。まっすぐな直線運動を創りだすことは通常は非常に困難である。前記ナットは、本来の移動方向に対して直角な面に沿って付勢される。それによりアライメントエラーも発生する。

在来のアクチュエータは、モータに減速ギヤボックスを備え、減速ギヤボックスにはらせん状のスクリューが装着され、スクリューには固定スラスト軸受が装着されている。前記スクリューの回転に伴い、ナット（通常はプラスチック製。）は前進方向または後退方向に送られる。前記モータは、多くは整流用ブラシを有するDC（直流）モータ、いわゆるブラシモータである。ただし、明らかな傾向として、整流器を備えたブラシレスモータが低価格化しより一般化している。代替的なモータ形式としては、ステップモータ、非同期モータ、同期モータなどである。

前記ギヤボックスの通常の減速比は、８対１から２０対１の範囲である。前記減速比は、前記らせんねじが自己保持されること、すなわちモータ出力が断たれたときに軸方向の外部荷重によってアクチュエータが逆転しないように決められる。自己保持のための限界はピッチ角にして約８度である。前記スクリューの効率はピッチが増大するほど増大する。この理由から、最適なピッチ角は８度付近になる。前記ピッチの下限値は、実際的な製造上の理由による。軸ピッチが３mmよりも小さいときは、ヘキサゴン形の線条の代わりに効率の低い通常のねじプロファイルを使用しなければならない。

前記ギヤボックスには、動作音が静粛であるところから、しばしばウオームギヤ形式が用いられる。その問題点は、減速比８対１ないし２０対１の範囲で最大６０%という効率の悪さにある。また、ひとつの深刻な問題点は、互いに角度をなすモータとギヤとが大型化をもたらすということである。直線的なデザインを得るには、モータ、ギヤそしてスクリューを直列に配することである。

遊星歯車列でも直線的デザインが得られるが、その場合には騒音が問題となる。それに加えて、実際上ギヤ１段ではおよそ８対１以上の減速比は得られないので２段にする必要があり、それによりギヤボックスはより複雑（高価）なものになる。プロセス産業においてよく知られたオーデン（Oden）のギヤは、コンパクトで簡潔なデザインであり、動作音も比較的低い。これは減速比が２０対１以上のときには最良の選択である。上述した応用技術において使用される範囲は８対１ないし２０対１である。

歯車の代わりに摩擦ギヤを使用した遊星ギヤ列がある。これは非常に静粛であるが滑りを起こすという問題がある。それを防止するためにスプリングによる予荷重が施される。予荷重は最大の発生負荷に合致するように容量設定される。

軽微な基本的予荷重に加えて、負荷トルクに比例した予荷重を与えるトルク継手を備えたものもある。この継手は、通常はV字溝に配置されたいくつかの硬化処理された鋼製ボールを備えている。前記V字溝は出力軸に対して径方向に配置されている。負荷トルクが増大したとき、前記ボールは前記溝の側面に沿って移動し、より大きな軸方向の予荷重を与える。前記摩擦ギヤは、ギヤボックス内のスラスト軸受に装着されたスクリューを回転させる。
（いくつかの周知の摩擦ギヤの原理）
摩擦ギヤが、これまでのところ比較的僅かしか使われてこなかった理由は、スリップ防止と非効率の問題による。スリップは寿命を著しく短縮し、騒音レベルを増大させる。その総合効率は、理論上の計算値に比較して多くの場合はるかに低い。

硬化処理され潤滑されたレースウエイに沿って転動する硬化処理されたボールによる動力損失は理論的には非常に少ない。摩擦ギヤには多数のボールが使用される。この理論的に高い効率を得るには、そのギヤジオメトリを理論モデル近くにまで合致させなければならない。

前記ギヤの構成部品における比較的小さな許容誤差は、外部からの荷重と同様に、ジオメトリを変化させ、これにより前記多数のボールは例えばそれぞれが異なった径上を転動する。これによりボール間に大きな摩擦力が発生し、「微少スリップ」を起こす、すなわちボールはレースウエイ上でも部分的なすべりを起こす。すべてのボールに対する等しい荷重配分もまた、最適に高トルクを伝達させ、摩擦ギヤの疲れ寿命を増大させるためにはきわめて重要である。

顕微鏡的に微細な表面の損傷でさえ、大きな騒音レベルと寿命悪化をもたらす。

すべりと効率の悪化は次のようにそれぞれ異なる原因で生じる：
１．外部からの負荷トルクが、組み込まれたスプリングによる予荷重が許容する最大負荷トルクを超えること。
２．外部からの荷重が、摩擦ギヤ内の回転体とレースウエイとの間の小さな位置及び荷重の変化を発生させること。
３．摩擦ギヤの構成要素における機械的な誤差に原因する、摩擦ギヤ内の回転体上の不適切な荷重配分。

ボール摩擦ギヤにおける最適な高トルクの伝達を可能にするためには、スプリングによる予荷重または外部からの荷重により、許容し得る寿命が得られる適度に高い疲れ応力を付与するように、それぞれのボールとレースウエイとの間の面圧を生じさせることである。接触点におけるヘルツの弾性変形は、よって0.001mmから0.005mmの範囲内である。このことから、非常に小さな幾何学的誤差さえもすべりを生じさせることがわかる。

トルク依存型、すなわち負荷トルクに比例した予荷重を付与するような継手を付加することも可能である。固定減速比の摩擦ギヤにおいては、このような継手の多くは高価にすぎる。無段階可変の減速機を備えたギヤではよくこうした技術が用いられる。例えばこのような摩擦ギヤには、ブロットビ（Brottby）のバリエータやコップ（Kopp）のバリエータがある。

この発明は、固定減速比のボール摩擦ギヤに関する。

図１は、第１の周知のボール摩擦ギヤの原理を示す部分断面図である。これは次のように働く：
この摩擦ギヤは入力軸1と出力軸２を有する。これらの軸は、少なくとも3個のボール３が転動するレースウエイ５をそれぞれ備えている。前記ボール３はリング４上をも転動する。前記軸１と２は、スプリング１０とボール軸受９とにより互いに対向する向きに付勢されている。ハウジング１１には、第２のボール軸受８がある。前記リング４は、前記ボール３が前記軸方向力により径方向に移動しないように保持する。摩擦力が各ボールの３つの接触点に生じる。各ボール３は、強制回転軸６と、それぞれ軸１と２上の接触点７．１と７．２とを有する。

入力軸１が回転すると、各ボール３の回転軸６はそれぞれボール３を接触点７．１から回転させる。（前記回転軸６は軸受（この原理図には含まれていない）により固定されたポジションを持ち、角度ｖに維持される。） 前記２つの接触点７．１と７．２が、それぞれ回転軸６から異なる径方向距離に位置していることにより、前記出力軸２は入力軸１とは異なる速度で回転する。このようにして、ある減速比が得られる。前記リング４は異なる速度で自由に回転する。仮に図において角度ｖが０度であるとすると減速比は無限大となり、すなわち出力軸２は回転しない。

この摩擦ギヤの原理は、例えば周知のコップのバリエータに使用されており、コップのバリエータは回転中に前記角度ｖをすべてのボールにつき同期的に変化させる機構を備えている。これにより減速比を無段階に変化させられる。比例トルク継手（この原理図には示されていない。）も用いられる。この形式のギヤは、特に固定減速比しか必要としないのであれば、高価かつ大型である。

図２は、第２の周知のボール摩擦ギヤの原理を示す部分断面図である。これは次のように働く：
入力軸１２は、ボール軸受１８と、2個のレースウエイ１４と１５を有している。レースウエイ１４と１５はそれぞれ角度ｃとｄだけ軸１２の軸線に対して傾斜している。少なくとも3個のボール３が前記レースウエイとそれぞれリング１６と１７のレースウエイ上を転動する。リング１６と１７のレースウエイはそれぞれ軸線に対して角度ａとｂだけ傾斜している。リング１６は固定であり、リング１７は2個のボール軸受１９と２０を有する出力軸１３の一部である。スプリングプレート２１が、前記ボール軸受１９とベアリングスペーサ２４とボール軸受２０を介して、リング１７と共に前記軸１３を前記固定リング１６の方向に押している。これにより前記各ボール３は４点にて荷重される。前記角度ａ，ｂ，ｃ，ｄは異なる。各ボール３は、前記レースウエイ１４，１５，２５，２６上に接触点を有する。前記レースウエイ１４，１５との接触点を通る連結線２７は入力軸１２に対して角度ｅをなす。各ボール３は前記連結線２７と平行な軸線２８のまわりに回転すると共に、軸線２８に対して直角な軸線２９の周りに回転する。良好に機能するボール摩擦ギヤを得るための一つの重要な条件は、前記ボールとレースウエイとの間にいかなる滑りも起こさないことである。前記スプリングプレート２１は、これらの接触点に対して、摩擦係数を考慮してこうした滑りが避けられるような接触圧力を付与しなければならない。前記入力軸１２が回転するとき、前記ボールは４つのレースウエイすべてに対して滑ることなく転動しなければならない。これを可能にするために、前記レースウエイ２６を有する出力軸１３は強制的に回転させられる。前記角度ａ，ｂ，ｃ，ｄの選択は、出力軸１３の速度の減少量すなわち減速比を決める。

前記ボール3とレースウエイとの最適な接触を得るためにはハウジング２２と軸受プレート２３の誤差を非常に小さくする必要がある。前記入力軸１２または出力軸１３に対する外部からの径方向の荷重は、前記摩擦ギヤのジオメトリを変化させ、「微少スリップ」、さらにはまた「大スリップ」（滑り）を生む。図２には角度ａ，ｂ，ｃ，ｄの数値を例示している。これらの角度の計算は、表面の圧力や疲れ荷重などと同様に、Ｆｒｅｊ−Ｃａｌｃによってなされる。Ｆｒｅｊ−Ｃａｌｃは、この形式の摩擦ギヤ用に特別に設計されたコンピュータプログラムである。このユニークな計算方法は、この発明には含まれずここでは扱われない。

もし前記摩擦ギヤの全ての部品が「完全に製造され」（誤差なし）、内部の軸方向の予荷重がただ一つしかないとすれば、入力軸がいくらか回転したのちにギヤの運動部品がとるのは、ただ一つのシンメトリックなジオメトリしかない。前記入力軸（前記ボールと共に）の剛性は、ギヤ軸に対して直角な外部からの無用なトルクに対して低く、レースウエイ上の小さな接触角に依存する。例えば、こうした無用なトルクはモータ軸と入力軸との継手から発生する。

（この発明の目的と特徴）
この発明は、新しい形式のボール摩擦ギヤを構成するものであって、
１．出力軸のエイミングエラーに対して敏感でなく、
２．入力軸または出力軸の双方において過大トルクから保護され、
３．すべてのボールにより均等にトルクを伝達し、
４．「微少スリップ」を最小にし、
５．既知のデザインに比して少ない部品で構成される。

これらの特徴は、レースウエイ及び関連する軸のユニークなジオメトリの選択により達成される。

この発明は上述した他の摩擦ギヤが有する欠点を持っていない。

この新規なギヤデザインの特徴は次のようにも表わされる：
このギヤは、出力軸の比較的大きな変化を受け容れられる。
ボールとレースウエイとの間の滑りが、入力軸または出力軸における過大なトルクによって引き起こされることがない。
このギヤはリニアアクチュエータのスラスト軸受としても作動する。
このギヤは、シンプルで堅牢であり、効率が高く、動作が静粛であり、コンパクトで量産に適している。

その基本的な原理は、図２を示して既述したギヤと同様である。米国特許第3,955,661（1976年5月11日）を参照のこと。

この発明の効果は、請求項１にて特徴づけられた部分である所定の特性により達成される。

この発明は、次の図面の支持により以下のとおり記述される。
図３ａは、摩擦ギヤの中央部の３つの部品とボールを示している。これらは互いに軸方向に押しつけられている。
図３ｂは、図３ａによるデザインを示しており、その出力軸３０が２度傾いている。
図３ｃは、図３ａによるデザインを示しており、リング３２を除くすべての部品が２度傾いている。
図４は、内部予荷重が作用する摩擦ギヤ全体を示している。
図５は、図４の摩擦ギヤを示しており、その出力軸４２が２度傾いている。
図６は、モータおよびスクリュー／ナット機構と共に、図４の摩擦ギヤの分離図を示している。
図７は、内部予荷重が作用していない摩擦ギヤ全体を、スクリュー／ナット機構と共に示している。

（発明の詳細な説明と好ましい態様）
次に、添付図面に示された例示的な実施形態を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。

以下の図面には、ボールとそのレースウエイに対する接触点とのあいだの、実際にすべてのボールに同様に分配される力が示されている。

球面状あるいは円錐状の支持面における図示された力は、回転接触面上に実際に均等に分配される力である。

ボールの数は少なくとも３個であり、中心軸線の周りに均等に配置される。前記ボールは、周知の技術によるボールケージを備えるか、または備えない場合もある。ケージを備えない場合は、前記ボール中心のピッチ径は、各ボールが均等に配置されたときにボール間に小さなクリアランスが生じるように算出される。実際上は、動作中にボールどうしがある点で滑り接触する。

以下に述べられる柔軟性を有するレースウエイは、通常は３個以上のボールを備えた摩擦ギヤに適用される。

図３ａにおいて、リング３２はハウジング１００に固定的に装着されている。（ハウジング１００は、図３ａ，３ｂ，３ｃでは斜線を付して示されている。）
出力軸３０の中心軸線はリング３２と同軸的である。

入力軸３１の中心軸線はリング３２と同軸的である。

軸方向力Ｆａｘは出力軸３０に対して同軸的に作用する。

ボール３は入力軸３１の球面状にへこんだ形状のレースウエイ３３と３４に押し付けられている。

ボール３は、リング３２の球面状にへこんだ形状のレースウエイ上にそれぞれ接点３５ａと３５ｂを有する。前記リング３２のレースウエイの断面形状は、摩擦ギヤの中心軸線上に位置する点Ｃ１を中心とする半径Ｒ１の軌跡を有する。
（点Ｃ１は、ボール中心とリング３２のレースウエイ上の接点とを結ぶ延長線が前記中心軸線と交わる点であると定義できる。点Ｃ２も同様にして定義できる。）
ボール３は、出力軸３０の球面状にへこんだ形状のレースウエイ上にそれぞれ接触点３６ａと３６ｂを有する。前記出力軸３０のレースウエイの断面形状は、摩擦ギヤの中心軸線上に位置する点Ｃ２を中心とする半径Ｒ２の軌跡を有する。

接触点３６ａと３６ｂは、出力軸３０の中心軸線から半径２０．６ｍｍの距離だけ離れている。図３ｂと図３ｃも参照のこと。

図３ｂにおいて、入力軸３１が（ボール３と一緒に）ギヤハウジング１００に「溶接されている」と仮定する。

仮に出力軸３０に半径方向の外力または紙面に直角な方向からのトルクが加えられたとすると、Ｃ２を中心とする半径Ｒ２の弧に沿って出力軸３０が滑る。図では、反時計方向へ２度回動している。

前出の接触点３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂは、前記ボール上に残っている。しかし、接触点３６ａと３６ｂについてその出力軸３０の中心軸線からの距離は、それぞれ半径２１．５と半径１９．４に変化している。

これは、出力軸３０が点Ｃ２の周りに回動するとき、ギヤに滑りが生じることを意味している。この滑りの大きさは、回動の大きさに直接的に関連している。

図３ｃにおいて、入力軸３１が（ボール３と一緒に）、こんどは接触点３６ａと３６ｂに「溶接されている」と仮定する。

仮に出力軸３０に再度半径方向の外力または紙面に直角な方向からのトルクが加えられたとすると、Ｃ１を中心とする半径Ｒ１の弧に沿って出力軸３０が滑る。図では、反時計方向へ２度回動している。

半径方向の距離２０．６は今回は不変である。

実際には、点Ｃ１を中心として回動する出力軸３０に対して入力軸３１をボール３と共に追従させるために、入力軸３１には円筒状部分３７が取り付けられる。前記円筒状部分３７は、その外側の左側部分に短い筒状の案内面３８を有し、案内面３８は出力軸３０内の筒状孔３９に対して小さな遊びをあけて挿入されている。

案内面３８は、点Ｃ２から比較的長い距離Ｓ５だけ離れて位置し、出力軸３０に正確な角度を与える。

入力軸３１は、図において、前出の軸に代えて孔４０を貫通する。

孔４０の左側部分には内側スプライン４１すなわち軸方向に誘導される梁部が備えられる。

点Ｃ１はギヤの位置を確定する。仮に筒状部３７が無い（案内が無い）とすると、入力軸３１上の小さな角度を変化させる力は、点Ｃ１からの位置とは異なるある点の周りの回動を出力軸３０に引き起こす。これにより「微少スリップ」が生じる。

この発明の摩擦ギヤは、図３ａのようにギヤジオメトリを崩壊させることなく、出力軸３０の外力による方向変化やアライメントエラーを許容する。「微少スリップ」を避けることが必要である。

これは次のようにも表わせる。すなわち、ミスアライメントや軸に対して直角方向からの外乱トルクによる出力軸３０の角度変化にあたり、入力軸３１も同一の角度変化をしなければならない。これらの変化の中心は、球面状レースウエイ３５の中心であるＣ１でなければならない。

図４は、この発明による摩擦ギヤ全体の断面を示している。この摩擦ギヤには、内部予荷重が作用している。内部予荷重は、出力軸３０が、スクリュー機構からの軸力や径方向の力ないしトルクのようなあらゆる軸方向の外部荷重を受け容れ可能とする。

前出のリング３２はここではリング４３に置き換わる。リング４３は、半径Ｒ３の球面状レースウエイ４４と、半径Ｒ１の球面状レースウエイ４５と中心Ｃ１を有する。出力軸３０には径方向の孔４６が設けられている。出力タップ４２は、前記孔４６とタップ４２の孔４８とに挿入された円筒状のピン４７によって出力軸３０に装着されている。ハウジング４９は、内側に球面状の面５０を有している。この面に対向するように、球面状の背面５２を有する平らな軸受リング５１が押し付けられている。前記球面状の面５０と５２は、それぞれ半径Ｒ４と中心Ｃ４を有する。軸受リング５１と出力軸３０の平坦面５３との間には、円筒状のスラストローラ軸受５４が設けられている。１個のスプリングプレート５５が、ハウジング４９のフランジ５８にリベット５７により取り付けられている。スプリングプレート５５には、中心をＣ１とする半径Ｒ３の球面５６が設けられ、ハウジング４９の合わせ部５９に嵌り合う同心円状の合わせ部５７が設けられている。

孔４０内に挿入された継手軸６０は、その左端部外側に、軸方向に配置された王冠状の梁部６１を有する。この梁部６１は内側スプライン４１とスムーズに噛み合う。継手軸６１の右端部には円筒面６２が設けられている。

この発明による前記摩擦ギヤは、２つのラジアルシール６３と６４によりシールがなされている。シール６３は継手軸６２の箇所にて円筒面６２を、シール６４は出力軸３０の箇所にて円筒面６５をそれぞれシールしている。Ｏリング６８が、ハウジング４９とスプリングプレート５５の間のシールをしている。

リング４３は、スプリングプレート５５の筒状孔６６と、リング４３の部分における筒状部６７の外側面との間の径方向の遊びが限界を定める角度範囲内で、中心点Ｃ１の周りに自由に動くことができる。

図４の摩擦ギヤには２つの軸方向力ＦｐとＦａｘが加えられる。

力Fｐはスプリングプレート５５により生じる。スプリングプレート５５は、好ましくはバネ鋼製としてリベット６９によりフランジ５８に固定し、これにより軸方向に可撓性を備えて、すべてのボール接触点、スラスト軸受５４、球面４４、４５、５０、５２に予荷重を付与する。

外力Fａｘは出力タップ４２の中心軸線に対して同心である。

これらの力の合計を力Ｆとする。

外力Ｆａｘの大きさが、予荷重を与える力Ｆｐと同じ大きさにまで増大したとき、スラスト軸受け５４は荷重が解かれ、力Ｆ＝Ｆａｘとなる。

この予荷重を与えるシステムの特長は、ボールとレースウエイに対する軸方向荷重が外力Ｆａｘよりも決して大きくならないことである。

仮に外力Ｆａｘが反対向きであるとすると、ボール及びレースウエイに予荷重を与える力Ｆｐは一定となり、ギヤの最大伝達トルクの大きさを制限することになる。このことは、ハウジング４９の軸方向の剛性がスプリングプレート５５よりも大きいか（よりバネ定数が高いか）否かに関係する。

図４は、ボールの接触点に生じる力Ｎ１とＮ２、球面状の支持面に生じる力Ｎ３を示している。ボールと入力軸３１のレースウエイとの間に生じる力は図示されていない。

出力タップ４２へと伝達し得る最大トルクは、出力タップ４２の中心軸線からの半径方向の距離によって計算されるタンジェント方向の摩擦力によって決まる。ギヤのすべての接触点と接触面の摩擦係数の大きさは同一であると仮定しても正確な推定が可能である。滑りは接触点と接触面とのあいだで発生し、摩擦トルクを最小にする。

摩擦トルクには異なる5つのものがある：
Ｍ１＝Ｎ１×Ｓ１×ｍｙ
Ｍ２＝Ｎ２×Ｓ２×ｍｙ
Ｍ３＝Ｎ３×Ｓ３×ｍｙ
Ｍ４＝Ｎ４×Ｓ４×ｍｙ （図示されていない。）
Ｍ５＝Ｎ５×Ｓ５×ｍｙ （図示されていない。）
（ただし、ｍｙ＝摩擦係数）
上記摩擦トルクは、前述したコンピュータプログラムＦｒｅｊ−Ｃａｌｃによって計算される。

ボールと入力軸３１のレースウエイとの間の摩擦トルクは、２つのレースウエイ３３，３４の摩擦トルクＭ４とＭ５の合計であって、これらはＭ１，Ｍ２，Ｍ３の合計の最大値よりも常に大きいから、ボールと入力軸３１のレースウエイとの間の滑りは決して起こらない。

これらのうち最も小さいトルクはＭ３である。出力タップ４２における外部からの過大なトルクは、球面４４と５６との間に滑りを生じさせる。

ボールとレースウエイとの間の滑りは、これらを非常に急速に破壊し、騒音レベルを増大させ、ギヤの寿命を著しく短くする。過大負荷による表面４４と５６との間の滑りは、予荷重を与える力Ｆｐと外力Ｆａｘの大きさには依存しない。

トルクＭ３の大きさは、半径Ｓ３（またはＮ３）の大きさを変えるか、協働する表面４４と５６との間の摩擦係数を調節することで調節することができる。表面４４と５６との間の摩擦係数は、その表面粗さを変えるか、または例えば銅による電気メッキを施すことにより調節することができる。

初めのほうで述べたように、このギヤの原理において必要なのは、出力軸３０とリング４３の双方の回転を許容することである。さもなくば、ボール３とレースウエイとの間に滑りが発生する。

出力タップ４２を急停止させることまたはその他の加速／減速による動的なトルクは、モータロータの慣性に基づき、摩擦トルクＭ３よりも大きくなることがある。このときリング４３が回転を始め、過大な荷重を逃がすように構成された継手のように働く。この機能はトルクがＭ３よりも大きいときにも働く。言い換えれば、出力タップ４２に伝達される最大モータトルクはＭ３よりも小さくなければならない。この要求が適合するのは、出力タップ４２にトルクによる負荷が加わり、力ＦａｘがＦｐよりも小さいときまたはＦａｘが負すなわち図で左方を向いているときである。

仮にＦａｘがＦｐよりも大きいとき（図で右方を向いているとき）、滑りトルクＭ３はＦａｘに比例して増大する。しかし他の摩擦トルクに対する関係はそのままである。

図５は、図４の摩擦ギヤの断面を示しており、ただしここでは出力タップ４２が中心点Ｃ１の周りに２度傾いている。したがって軸受リング５１とスラストローラ軸受５４はその中心点Ｃ４の周りに同じ角度だけ傾けられる。Ｃ４は、軸受リング５１上の球面５２の中心点である。点Ｃ１とＣ４は、この摩擦ギヤの中心軸線上の異なる位置に設けられる。これにより、スラストローラ軸受５４は、主として出力タップ４２の中心軸線に対して直角な面内に動きを変換する。スラストローラ軸受５４は、通常は樹脂製のローラケージと、径方向を向き鋼製ローラを備えた多数の矩形の開口とを備えた市販品の軸受であり、前述のような径方向の動きを許容するようになっている。このような軸受の荷重容量は荷重ＦａｘやＦｂに比較してより高い。

この図には継手軸６０も示されている。継手軸６０は、好ましくは型成形した樹脂製であり、その内側スプライン７０には、モータ軸７７（図６参照）外側の王冠状のスプライン７８がスムーズに嵌合する。

図６は、摩擦ギヤ７１の分離状態を示している。この摩擦ギヤ７１では前出の出力タップ４２がスクリュー７２に、前出の筒状ピン４７がスプリングピン７３にそれぞれ置き換えられている。スクリュー７２は、多くは樹脂製のナット７４を備える。スクリュー７２の外側の他端部にはボール軸受７５がある。

この図には、王冠状のスプライン７８と、ネジ孔８０を有する突当て面７９とを備えたモータ７６も示されている。

アダプタプレート８１には孔８３が備えられている。ネジ８２は突当て面７９に挿入される。

図には継手軸６０も示されている。

スクリュー７２は、摩擦ギヤの回転中または停止時の何れのときも、円錐角±Ｖ度の範囲内で中心点Ｃ１の周りに動くことができる。

この摩擦ギヤの挙動は球面ボール軸受と同様であって、セルフアライメントを許容し、この特徴は多くの応用技術において大きな利点となる。

この動きは、摩擦ギヤが回転するとき、リング４３のレースウエイ上をボールがいかなる滑りも生じることなく転動するときに得られる。

停止中の摩擦ギヤにおいて滑りが生じることもあるが、この滑りは通常は表面に影響することはない。

ボール軸受７５は、スクリュー７２が長く、あるいはナット７４が摺動中に径方向に支持するものを持たないときは、径方向の支持体として必要になる。

ボール軸受７５の外側リングに加わる軸方向力Ｆｐ２は、摩擦ギヤに、より高いトルクの伝達を可能にするための予荷重を増大させるうえで必要になることがある。

図７は、スクリュー機構を備えた摩擦ギヤの全体を示している。この摩擦ギヤでは内部予荷重は施されていない。

線条９６を備えたスクリュー７２は、ここではネジピッチを省略して簡潔に表わされている。

ハウジング８４内の円錐面８５上で、摩擦ギヤの中心軸線からの距離Ｓ３の箇所にて直交する線は中心点Ｃ１を通る。ハウジング８４は、円錐面８５と同心的に円筒面８６を有する。

ハウジング８４は、いくつかの取付け孔８６と、前記円筒面８６と同心的に、モータまたはアダプタフランジを案内するための孔８７を有する。

リング８８は、半径Ｒ１の球面状のレースウエイ９６と、半径Ｒ５の外側球面とを有する。これらの半径Ｒ１とＲ５は何れも同じ点Ｃ１を中心とする。リング８８は、円筒面８６に対してある程度小さな半径方向の遊びをあけて嵌り合う円筒状内側面８９を有する。

出力軸９０は、前出の出力軸３０に相当するものであるが、それよりも少し短い。入力軸９１は、前出の入力軸３１に相当するものであるが、それよりも少し短い。前出の内側スプライン４１は、ここでは点Ｃ５の位置に移動されている。

継手軸９２は、前出の継手軸６０に相当するものであるが、それよりも少し短く作られている。その外側の王冠状のスプライン９３の中心点は点Ｃ５の位置に置かれている。

Ｏリング９４とラジアルシール９５がこの摩擦ギヤのシールをしている。

スクリュー機構は、先に図６にて説明したものに相当する。

この摩擦ギヤは内部予荷重を持たないので、スプリングの作用により、外部からの予荷重Ｆｐ２は前記ボール軸受の外側リングから与えることができる。

仮にナットに作用する力Ｆａｘが図の左向きであるとすると、Ｆｐ２はＦａｘと同程度となるだけでなく、スクリューが必要とするトルクを引き出すために十分な予荷重となりうる。

仮にナットに作用する力Ｆａｘが図の右向きの重力であるとき、理論的な摩擦ギヤの解決手法が、前述したＦｒｅｊ−Ｃａｌｃによって充足される滑りを起こさない基準に合致するならば、予荷重Ｆｐ２は不要である。

この摩擦ギヤの代替的なデザインにおいて、入力軸３１上の内側スプライン４１は,点Ｃ１からの距離がＳ６である中心点Ｃ５に置かれる。Ｖ度傾斜すると、スプライン４１は、半径ｒ＝Ｓ６×ｔａｎＶだけ移動する。前記継手軸６０は、その両端にて可撓軸継手として機能し、すなわちそれぞれの端部にて自在継手のように作動する。半径方向の動きｒのために空間が必要である。

リング８８は、次の２つの理由から比較的薄く作られている：
第一には、前記リングはいくらか弾性を有し、それによってすべてのボールがほぼ同じ接触圧をもって同じ摩擦トルクを与えることを確実にする。これにより製造上の誤差は解消される。

第二には、軸方向力Ｆａｘがリングに弾性的にねじれを与える。リング８８はスプリングプレートとみなせる。このねじれにより、前記ボールの接触角度がレースウエイ９６上にて変化し、これが摩擦ギヤの減速比を変化させる。図中右向きの軸方向力Ｆａｘが増大するとき、半径Ｒ１も増大する。中心点Ｃ１は図中左方向に移動する。前記ボールの接触角度は、レースウエイ９８上の対応する角度に近くなる。計算上は、４度のねじれに対して減速比は約２５％増大する。

基本的な条件として、出力軸９０はリング８８よりも高剛性である。

このような減速比の増大は、多くの応用技術において利点となる。例えば、出力軸４２すなわちスクリュー７２において一時的にトルクが増大し、動き出すまでの静摩擦に打ち勝つことができる。

前記レースウエイのボール接触点の柔軟性、スプリングプレート５５及びリング８８のバネ定数は、ＦＥＭ計算（有限要素解析法）により高精度に決めることができる。

前記ボール接触点の摩擦係数を高めるために、摩擦ギヤのための特殊なタイプのグリースまたはオイルを使用できる。このグリースまたはオイルは、ボール接触点の潤滑部分で圧力が増大すると瞬時に粘性が増大する特性を有している。この凝固過程の間に、摩擦係数が増大して摩擦ギヤの最大伝達トルクが増大する。
（この発明に基づく可能な代替的デザイン）
この発明の第１の態様は、主として対抗的に作用する外力によって負荷される出力軸を備えたボール摩擦ギヤに関し、この摩擦ギヤそれ自体がスラスト軸受のように構成されている。前記出力軸は、この摩擦ギヤの利点として述べたように効率に影響を及ぼすことなく摩擦ギヤに関する方向の変化を許容する。この摩擦ギヤは、リング４３と８８によって、前記ボールとレースウエイとの間の滑りから保護される。リング４３と８８は、摩擦ギヤのハウジングへの取付けにより、滑り軸継手のように作動する。

少なくともレースウエイのうちの１つはいくらかの柔軟性を備え、すべてのボールがほぼ同一の摩擦トルクを伝達することを確実にする。

この発明の第２の態様は、前記第１の態様において、スラスト軸受５４を備えることによってすべての方向からの外部負荷を受けうる出力軸を有するボール摩擦ギヤに関する。この態様では、前記ボールとレースウエイ上に、内部のスプリングによる予荷重の発生を許容する。

この発明の第３の態様は、前記第１,第２の態様において、リング３２，４３，８８または出力軸３０，９０がねじれに対して柔軟であって、外部からの軸方向力の変化に応じて減速比が自動的に変化するボール摩擦ギヤに関する。

この発明の第４の態様は、前記第１，第２，第３の態様において、少なくとも１つのレースウエイが球面状の表面を有しているボール摩擦ギヤに関する。

この発明の第5の態様は、前記第1，第２，第３の態様において、１つのレースウエイが球面状の表面を有し、他のレースウエイの少なくとも１つが円錐状の表面を有しているボール摩擦ギヤに関する。

第１の周知のボール摩擦ギヤの原理を示す説明図。 第２の周知のボール摩擦ギヤの原理を示す説明図。 図３ａは、本発明に係る摩擦ギヤの中央部の３つの部品とボールを示す説明図。図３ｂは図３ａにおいてその出力軸３０が２度傾いた状態を示す説明図。図３ｃは図３ａにおいてそのリング３２を除くすべての部品が２度傾いた状態を示す説明図。 内部予荷重が作用する摩擦ギヤ全体を示す説明図。 図４においてその出力軸４２が２度傾いた状態を示す説明図。 図４の摩擦ギヤをモータおよびスクリュー／ナット機構と共に示した分離状態の説明図。 内部予荷重が作用しない摩擦ギヤ全体を、スクリュー／ナット機構と共に示した説明図。

Claims (9)

1. 互いに異なる方向に傾斜した２つのレースウエイ(33),(34)を備えた入力軸(31)と、レースウエイ(35)を備えたリング(32)が取り付けられたギヤハウジング(100)と、レースウエイ(36)を備えた出力軸(30)とが、中心軸線上に同心的に配置され、少なくとも3個のボール(3)と、ボール(3)に対して２つのレースウエイ(35),(36)を押しつける力であって、このときボール(3)が他の２つのレースウエイ(33),(34)から押される、２つの互いに異なる軸方向の力を有するトルク伝達のための摩擦ギヤであって、
   前記レースウエイ(35)は球面状であり、
   前記入力軸(31)の中心軸線は、前記出力軸(30)の中心軸線と常時略一致するように配置され、
   すべての前記ボール(3)の重心点は、前記出力軸(30)の中心軸線に対して略直角な共通の平面内で移動し、それは正常時の前記ギヤ構成物(30),(31),(3)間のジオメトリにいかなる変化も起こすことなく、前記出力軸(30)の中心軸線の角度量の変化を許容し、
   正常時には回転しないリング(32)が、ハウジング(100)内に取り付けられたその支持体を、あるトルクで回転させるのを許容すること
   を特徴とする摩擦ギヤ。
2. 請求項１において、
   前記複数のレースウエイ(33),(34),(36)のうち１つ以上のものが球面状であること
   を特徴とする摩擦ギヤ。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記リング(32,88)は、ギヤハウジング(100,84)内の円錐面ないし球面にて支持された球面状の支持面を有すること
   を特徴とする摩擦ギヤ。
4. 請求項１から請求項３の何れかにおいて、
   前記入力軸(31,91)は、円筒状の軸方向を向いた部分(37)を有し、前記部分(37)はその外側端部に短い軸受面(38)を有し、前記軸受面(38)は、出力軸(30,90)の円筒状の孔(39)に小さな遊びをあけて嵌り合い、前記入力軸(31,91)と前記ボール(3)をその重心点が共有する平面内で点Ｃ１を中心として強制的に回転させ、前記点Ｃ１は、前記出力軸(30,90)の角度量が変化するとき、前記球面状レースウエイ(35)の中心であること
   を特徴とする摩擦ギヤ。
5. 請求項１から請求項４の何れかにおいて、
   前記リング(32,43,88)は、中心を点Ｃ１とする半径Ｒ１の軌跡からなる球面状のレースウエイ(35,45,96)を有し、その背面は点Ｃ１の付近を中心とする半径Ｒ５の軌跡からなる球面状であって、ギヤハウジング(100,84)内で短い円筒面(86)により径方向に案内され、軸方向を向いた円錐状または球面状の表面(85)に、出力軸(30,90)の中心軸線の周りにある高トルクが加えられたときに、この接触円上でのみ滑りが生じるように選ばれた径方向の接触位置Ｓ３を有すること
   を特徴とする摩擦ギヤ。
6. 請求項５において、
   摩擦ギヤに対抗する向きの外部からの軸方向力が、リング(32,43,88)を変形させ、この変形が前記レースウエイ(35,96)のボール接触角を変化させ、この変化が摩擦ギヤの減速比を変化させること
   を特徴とする摩擦ギヤ。
7. 請求項１から請求項６の何れかにおいて、
   前記リング(32,43,88)は、点Ｃ１の付近を中心とする半径Ｒ３の軌跡からなる球面状の背面(44)を持ち、ギヤハウジング(100,49)内に取り付けられたスプリングプレート(55)の球面状の表面(56)に支持されて、前記スプリングプレート(55)が軸方向に弾性変形して、スラスト軸受(54)によって反作用力が発生したときに望ましい内部予荷重を与えるようになし、
   前記スラスト軸受(54)は、ギヤハウジング(100,49)内の部分的な球面状の表面(50)と接する球面状の支持面(52)を有する軸受プレート(51)と、出力軸(30)の表面(32)とをそのレースウエイとして、出力軸(30,90)の角度量の変化が生じたときに、スラスト軸受(54)の回転と半径方向に変換された移動との組合せによる自律的な位置決めを許容するようになしたこと
   を特徴とする摩擦ギヤ。
8. 請求項１から請求項７の何れかにおいて、
   入力軸(31)が前記孔(40)内に内側スプライン(41)を有し、継手軸(60)の王冠状の梁部(61)との協働により可撓軸継手の一部として働き、前記スプライン(41)が前記点Ｃ１に可能な限り近くに位置して、前記出力軸(30,90)に角度量の変化が起きたときの径方向に変換される動きが最小となるようにしたこと
   を特徴とする摩擦ギヤ。
9. 請求項１から請求項８の何れかにおいて、
   前記ボール(3)に対する前記何れかのレースウエイのうちの１つ以上が、僅かに弾性を有して、すべてのボールがほぼ同一の負荷で接触し、騒音レベルを低減させるようにしたこと
   を特徴とする摩擦ギヤ。

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