JP2014228015A - 可撓式歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】
歯車のかみ合い時のバックラッシを簡素な機構・構造で除去し、高精度な回転伝達を実現する。
【解決手段】
歯車の歯形以外の構造部材の一部を可撓性を有する弾性変形しやすい薄肉構造、および必要に応じ弾性変形しやすい材質にすることで、歯形や軸間の誤差を吸収し、歯車のかみあいにガタが生じないようにした。
また、弾性変形は歯車の動力伝達方向には剛性が高く、一方でバックラッシを除去するため歯車の軸間距離調整の方向には弾性変形変形し易くなるよう、選択的に剛性が低くなる構造とした。
【選択図】図５

Description

本発明は、回転位置や回転トルクを精度よく伝達するための歯車に関するものである。

歯車は産業界で古くから用いられており、主な用途目的には、回転方向の変換、回転力や位置の伝達、減速機構、または増速機構などが挙げられる。

歯車は一般的に切削および研削による機械加工によって製作される。そして通常は製作誤差が生じ、歯面の形状や歯車の中心軸の位置などで誤差として表れる。
平歯車の場合を例に挙げると、歯車のもっとも基本的な使用方法は、２個の歯車を、各々の回転軸を平行に配置し、歯が噛みあう位置となるよう、各々の回転中心軸を設置しその位置を固定する方法である。２つの回転軸の中心間距離は、各々の歯車の設計上のピッチ円が接するように設定されるが、前述のとおり歯車各部の製作誤差があるため、ある歯面部同士のかみあいは、ガタがないようにできても、別の歯面部同士のかみあいにおいては歯車の回転方向にガタが生じることとなる。逆にある歯面部同士のかみあいを、ガタがないようにすると、別の歯面部同士のかみあいにおいては歯面同士が干渉することで歯面同士が過大な圧縮力を受け、円滑な回転伝達に支障が起きたり、歯面の早期摩耗につながったりする。そのため一般的には、歯車の回転方向に最小限のガタ（＝バックラッシ）を設けて用いることとなるが、産業界では精度良く、また効率よく、力や位置を伝達したいとの要望は多い。
そのために歯車のバックラッシを除去する方法がいろいろと用いられてきた。
代表的な方法としては、歯車列のひとつの歯車を２枚重ねとし、それぞれが反対方向に回転する力を発生させるばね機構を組み込むものが挙げられる。しかしながら、それぞれの歯車には１方向のみの回転力しか負荷させることが出来ず、歯車の動力伝達性能は半減してしまう。
また、歯車対の支持部の軸間部に距離を変化させる機構と押し付けのばね機構を設け、歯車のかみ合い部の距離が歯面の精度に追従させる方法がある。しかしながらこの方法の実現には、軸間部にばね機構を組み込む必要があり、歯車装置の大型化を招いていた。
本来、装置の小型化のためには、歯車単体でバックラッシが除去できるものが望ましい。

それを解決するための方法として例えば下記の文献に記載されている。

特許公報 第２６７３００４号 特許公報 第２８０８２８２号

KHK総合カタログ ３０１２ 歯車技術資料

解決しようとする課題は、歯車本体以外の付加機構要素を用いず、歯車単体でバックラッシを除去でき、伝達精度を高く出来る歯車を提供することにある。

本発明の歯車は回転軸に対して、歯面かみ合い部の位置が外力によって弾性変形する可撓体を設けることにより変形し、噛みあい相手の歯面に追従することを特徴とするものである。
歯車には、円筒面の外側に歯面を有する外歯形の平歯車、はすば歯車、やまば歯車などがある。また、円筒状の内壁を持ち、その内壁部に歯面を有する内歯形の前記同様の歯車がある。本発明は、それらの歯形の違いに依存せずにバックラッシが除去できることを本発明の特徴としている。

本発明はバックラッシの除去のために、歯車のかみ合い部が回転中心に対して弾性変形する可撓体を設けていることにより、歯車のかみ合い部がかみ合い相手歯面に対して弾性変形し追従する。
弾性変形をする可撓体は、たとえば円筒状の薄肉形状とすることで、弾性変形によっても発生応力が低く抑制され、また歯面のかみ合い部に加わる力が小さくても十分な変形量が確保でき、歯車の寿命を損なうことなく、バックラッシが除去できる。
薄肉円筒は円筒軸方向に長いものの方が、容易に弾性変形が可能となる。
また、薄肉円筒部の数を複数化することでも全体的に弾性変形が容易となる。そのため本発明では薄肉部分の部位の数量を複数配置することで、全体的に弾性変形が起きやすいものとし、バックラッシが除去しやすくなる。

円筒の円筒軸方向を長くすると、歯車の軸方向の長さが長くなり、装置の小型化が実現しにくくなる。そこで、歯車の歯幅内に弾性体部が収まるように、その薄肉部は歯面の歯車軸方向の両端面で包括される面内に配置することで、歯車を薄いものとする事ができる。

また、本発明のアプリケーションとして、遊星歯車減速機構の遊星歯車部に用いることで、伝達部のバックラッシをゼロないしは極小とした遊星歯車減速機が実現できる。

図１は外歯式の可撓式平歯車の構造を示した説明図である。（実施例１） 図２は可撓式平歯車を使用することでバックラッシを除去する方法を示した説明図である。（実施例２） 図３は内歯式の可撓式平歯車の使用例を示した説明図である。（実施例３） 図４は薄肉弾性構造部を有する可撓式平歯車を示した説明図である。（実施例４） 図５は２段構造の薄肉弾性構造部を有する可撓式平歯車を示した説明図である。（実施例５） 図６は図４の薄肉可撓部を円錐形状とした可撓式平歯車を示した説明図である。（実施例６） 図７は薄肉可撓部を円筒および円錐のいずれにもよらない形状とした可撓式平歯車を示した説明図である。（実施例７） 図８は実施例４の変形例である。（実施例８） 図９は可撓式平歯車を使用した遊星歯車減速機を示した説明図である。（実施例９） 図１０は薄肉弾性構造部を有する可撓式やまば歯車を示した説明図である。（実施例１０） 図１１は可撓式やまば歯車を使用することでバックラッシを除去する方法を示した説明図である。（実施例１１）

歯車の構造部材に薄肉構造部分を設けることで、部品点数を増やさずバックラッシのない歯車の回転角度伝達を実現した。

図１は実施例１の基本構造を示す図である。１は回転軸で２は歯車歯面であり、剛性の高い金属材料によって構成されている。歯車歯面と回転軸の間には小さな力で容易に変形することができる３の可撓性を有する弾性体を設けている。この実施例ではエラストマーなどのヤング率の小さな材料を使用することを想定している。

図２は可撓式歯車を用いて使用することでバックラッシを除去する方法を示した説明図であり、実際にこれらの歯車を使用する形態を示す。４は可撓性を有する歯車で、５は可撓性を有さない歯車である。各々独立した軸受で支持され一方は駆動側、一方は非駆動側として用いられるのが一般的である。５の歯車の回転軸芯位置は固定されている。４の歯車を弾性変形させない状態で、すべての歯面のかみ合い状態に無理な力が加わらないように調整した場合の軸芯位置が６で示された中心軸位置となる。歯車は歯型や中心軸の位置を誤差のないものとすることは困難であるため、最もかみ合い状態がきつくなる位置を基準に６の中心軸位置が決定されるため、かみ合い状態が緩くなるかみ合い部が存在し、回転位置の伝達時にバックラッシとして表れてくる。
本実施例では、弾性体部を変形させることで、４の歯車の軸芯部を７の位置まで押し付けることで、最もかみ合い状態が緩くなる位置でバックラッシを除去することができ、かつかみ合い状態がきつくなる位置でも、４の歯車のかみ合い部が弾性変形により逃げる事ができるので、歯面に過大な力を発生させることなく、全かみ合い部においてバックラッシが無い角度伝達が可能になる。

本実施例では４の歯車のみが弾性体を有するものとしているが、５の歯車も４の歯車と同様の可撓性を有するものとしても同様かつ、更なる効果が期待できる。また歯数の異なるもの、および軸取付部、薄肉構造部、内歯、外歯の区別が異なる組み合わせでも同様の効果が得られる。

図３は実施例３の基本構造を示す図である。実施例１の歯面を外歯から内歯に変更したものである。歯車歯面と回転軸は剛体である金属材料によって構成されている。歯車歯面と回転軸の間には小さな力で容易に変形することができる３の弾性体を設けている。この実施例ではエラストマーなどのヤング率の小さな材料を使用することを想定している。

図４は実施例４の基本構造を示す図である。２の歯車歯面、回転軸、およびその他全ての部材は同一の材質で構成されている。本実施例では金属材料を想定している。歯車歯面と回転軸の間には小さな力で容易に変形することができる８の薄肉構造の弾性構造部を設けている。薄肉部は歯車を形成する旋削加工の工程で、精度よく製作することで実現される。原理的にも円筒薄肉構造は回転方向のねじり剛性は高く、円筒の径方向には剛性は低い。

図５は実施例５の基本構造を示す図である。２の歯車歯面、回転軸、およびその他全ての部材は同一の材質で構成されている。本実施例では金属材料を想定している。歯車歯面と回転軸の間には小さな力で容易に変形することができる８の薄肉構造の弾性構造部が２段設けられており、より小さな力で弾性変形が可能になる。

図６は実施例６の基本構造を示す図である。実施例４では薄肉可撓部を円筒形状としているが、本実施例では９の円錐形状としている。薄肉可撓部は実施例５と同様に２段以上であっても良い。

図７は実施例７の基本構造を示す図である。前記実施例の薄肉可撓部を円筒形状、および円錐形状に限定しない形状としている。本実施例では図示投影面に垂直方向に構成された１０の薄肉部材により、歯車の可撓性を実現している。

図８は実施例４の変形例の基本構造を示す図である。１４の歯車歯面は１５を含む回転軸、およびその他部材とは異なる材質で構成されている。本実施例では１４の歯部は鉄鋼材料、それ以外の１５を含む部分はアルミニウム材料を想定している。アルミニウム材は鉄鋼材料に比べると縦弾性係数がおよそ１／３であるため、鉄鋼材料のみで歯車を構成した場合に比べて、より小さな力で容易に弾性変形することができる。鉄鋼材料部とアルミニウム部は焼嵌め、または接着、溶接などで強固に接合され、薄肉部は歯車を形成する旋削加工の工程で、精度よく製作することで実現される。

図９は実施例１〜７を用いて構成された遊星歯車減速機である。
１３の遊星歯車部に可撓性歯車を用いることで、太陽外歯車と太陽内歯車の相対位置、および遊星歯車取付軸などの誤差要素を歯車の可撓性により吸収することでバックラッシのない伝達を実現する。

図１０は実施例１０の基本構造を示す図でやまば歯車の場合における適用例を示したものである。３２の歯車歯面、回転軸、およびその他全ての部材は同一の材質で構成されている。本実施例では金属材料を想定している。歯車歯面と３１の回転軸の間には小さな力で容易に変形することができる３３の薄肉構造の弾性構造部を設けている。薄肉部は歯車を形成する旋削加工の工程で、精度よく製作することで実現される。

図１１は可撓式やまば歯車を用いて使用することでかみ合い部のバックラッシを除去する方法を示した説明図であり、実際にこれらの歯車を使用する形態を示す。３４は可撓性を有するやまば歯車で、３５は可撓性を有さないやまば歯車である。各々独立した軸受で支持され一方は駆動側、一方は非駆動側として用いられるのが一般的である。３５の歯車の回転軸芯位置は固定されている。かみ合い部のバックラッシを除去するためには、３４のやまば歯車を３４のやまば歯車の回転軸に沿って３５のやまば歯車に押し付けを行うことで実施される。

高精度な回転角度伝達を、最小限の寸法、質量で実現することが望まれる、ロボットや搬送機構の構成部品として適用できる。

１ 回転軸部
２ 歯車歯面部
３ 弾性体による可撓部
４ 可撓平歯車
５ 可撓性を持たない平歯車
６ 歯面に無理のないかみ合いを考慮した場合の平歯車の回転中心位置
７ 弾性体の変形により全かみ合い部でバックラッシを除去した状態の平歯車の回転中心位置
８ 薄肉構造体による可撓部
９ 円錐形状の薄肉構造体による可撓部
１０ 円筒、または円錐形状でない薄板状の薄肉構造体による可撓部
１１ 太陽外歯平歯車
１２ 太陽内歯平歯車
１３ 可撓性平歯車による遊星歯車
１４ 歯部（高い縦弾性係数の材料によるもの）
１５ 歯部以外の支持部（低い縦弾性係数の材料によるもの）
２０ 平歯車の回転中心位置その１
２１ 平歯車の回転中心位置その２（可撓体の弾性変形前）
２２ 平歯車の回転中心位置その２（可撓体の弾性変形後）
３１ 回転軸部
３２ 歯車歯面部
３３ 弾性体による可撓部
３４ 可撓性を持たせたやまば歯車
３５ 可撓性を持たないやまば歯車

Claims (10)

1. 円筒外筒部に歯面を持つ歯車であり、歯面と歯車の回転軸芯との間に可撓性を有する弾性体を配し、歯車のかみ合い部と歯車回転軸との距離が外力によって弾性変形することにより、変化追従できることを特徴とした歯車。
2. 円筒内筒部に歯面を持つ歯車であり、歯面と歯車の外周部との間に可撓性を有する弾性体を配し、歯車のかみ合い部と歯車回転軸との距離が外力によって弾性変形することにより、変化追従できることを特徴とした歯車。
3. 前記の可撓性を有する弾性体は、少なくとも１か所以上の弾性変形を容易にするための薄肉部により構成され、歯車のかみ合い部と歯車回転軸との距離が外力によって弾性変形することにより、変化追従できることを特徴とした請求項１、および２に記載の歯車。
4. 前記の可撓性を有する弾性体は、２か所以上の弾性変形を容易にするための薄肉部により構成され、歯車のかみ合い部と歯車回転軸との距離が外力によって弾性変形することにより、変化追従できることを特徴とした請求項１、および２に記載の歯車。
5. 前記可撓部は同心円形状で、その中心軸は、歯車の回転軸と同軸または同軸に近いものであることを特徴とする、請求項１、２、３、４に記載の歯車。
6. 前記薄肉部は歯車の回転軸を中心とした円筒形状であることを特徴とした、請求項３、４、５に記載の歯車。
7. 前記薄肉部は歯車の回転軸を中心とした円錐形状であることを特徴とした、請求項３、４、５に記載の歯車。
8. 前記の可撓性を有する弾性体は、歯面の歯車軸方向の両端面で包括される面内に配置されたことを特徴とした請求項１〜７に記載の歯車。
9. 歯部とそれ以外の材質を異なるものとし、それらの部材は接合され、弾性変形を容易にするために、歯部以外の材質を弾性係数の低い材料としたことを特徴とする、請求項１〜８に記載の歯車。
10. 遊星歯車減速機構の遊星歯車部に請求項１〜１０に記載の歯車を用いることで、伝達部のバックラッシをゼロないしは極小としたことを特徴とする遊星歯車減速機。

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