JP2015140811A - 差動減速機及び差動減速方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない歯車で高減速まで対応でき、特殊な歯車を使わない減速機を実現する。
【解決手段】 差動減速機１は、入力軸２１を回転させると遊星キャリア３に支持された第１の遊星歯車１０と第２の遊星歯車１１が太陽軸２回りに公転する。第１の遊星歯車１０は静止歯車６により回転軸１０ｃ回りに回転する。第１の遊星歯車１０の回転はアイドラ歯車５を介して第２の遊星歯車１１に伝達され、第２の遊星歯車１１が回転軸１１ｃ回りに回転する。第２の遊星歯車１１によって出力歯車４が回転させられ、出力歯車４に連結された出力軸２２が回転する。
【選択図】図６

Description

本発明は、差動減速機及び差動減速方法に関する。

減速機は、駆動源から入力された回転を減速させて伝達する目的で使用され、平歯車や遊星歯車を組み合わせた構成を有する。一般的には、平歯車や遊星歯車を有する減速機では、１０以下の減速比が得られる。さらに大きい減速比が必要な場合には、平歯車や遊星歯車を有する減速機を多段に組み合わせて使用する。ところが、減速機を多段に配置すると多数の歯車が必要になるので、減速比を大きくするほど、装置構成が複雑化、かつ大型化し、コストが上がる。

３０以上の減速比が得られる機構としては、ハーモニックドライブ（登録商標）が知られている。この減速機は、入力軸に接続された楕円形のウェーブ・ジェネレータの外側に、ベアリングを介してフレキシブルなフレクスプラインを装着し、フレクスプラインのさらに外側にケーシングに固定されるサーキュラ・スプラインを配置した構成を有する。フレクスプラインの外歯は、サーキュラ・スプラインの内歯に長軸部分の両端の２個所において噛み合っており、ウェーブ・ジェネレータが回転すると、フレクスプラインが弾性変形しながら回転し、サーキュラ・スプラインの内歯との噛み合い位置が順次移動する。ウェーブ・ジェネレータが１８０度回転すると、フレクスプラインが歯数１枚分だけ反対方向に移動する。従って、この減速機では、ウェーブ・ジェネレータを１回転させる毎に、フレクスプラインが歯数２枚分だけ反対方向に移動することにより、入力側の回転を減速させる。

ところが、ハーモニックドライブ（登録商標）では、特殊な歯車の製造や制御が難しいことから、速度比がわずかに違う２組の遊星歯車を入力軸に対して偏芯させて連結させた差動減速機が提案されている。例えば、図７に概略構成を示す差動減速機１０１は、ｆ側とｒ側の２組の遊星歯車１０３，１０４を利用している。入力軸１０２を回転させると、入力軸１０２に対して偏芯して連結された太陽軸１０２Ａに外接するｆ側の遊星歯車１０３が自転しながら太陽軸１０２Ａ回りを公転する。太陽軸１０２Ａは、入力軸１０２に対して偏芯しているので、ｆ側の遊星歯車１０３は、入力軸１０２に対して偏芯した公転を行う。これに従って、ｒ側の遊星歯車１０４が回転し、出力軸１０５に回転が伝達されることで減速する。

特開２００８−１６４０８６号公報 ＵＲＬ http://www.hds.co.jp/principle/index.htm 「ハーモニックドライブ（登録商標）の原理」 「遊星歯車・差動歯車装置の設計」，日刊工業新聞社，Ｐ６９−８５．

ここで、図７に示す差動減速機１０１のｆ側の遊星歯車１０３の歯数をＺｆｅ、遊星歯車１０３と噛み合う内歯車１０７の歯数Ｚｆとし、ｒ側の遊星歯車１０４の歯数をＺｒｅ、遊星歯車１０４と噛み合う内歯車１０８の歯数Ｚｒとすると、差動減速機１０１の減速比εは、以下の式で表すことができる。
減速比ε＝入力軸速度ｎ１／出力軸速度ｎ２＝１／（１−Ｚｒ・Ｚｒｅ／Ｚｆｅ・Ｚｒ）
そして、この式における「Ｚｒ・Ｚｒｅ／Ｚｆｅ・Ｚｒ」が１に近づくように歯数を選択すれば、高い減速比を実現できる。実際には、内歯車と遊星歯車の端数が近いとインボリュート干渉という問題が起きるので、遊星歯車は内歯車よりも小さく歯数差は３以上であることが求められる。即ち、歯数差ΔＺｄ＝Ｚｆ−Ｚｆｅ＝Ｚｒ−Ｚｒｅ、ΔＺｄ＝３という制限があり、減速比は３００程度が限界であると考えられる。また、この差動減速機では、遊星歯車を偏芯させつつ公転させるために、バランスウェイトが必要になるので、装置構成が複雑化し、軽量化が困難であった。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、少ない歯車で高減速まで対応でき、特殊な歯車を使わない減速機を提供することを目的とする。

実施形態の一観点によれば、入力軸に連結された遊星キャリアに軸支され、静止歯車に外接する第１の遊星歯車と、前記遊星キャリアに軸支され、太陽軸と同軸に配置された出力歯車に外接する第２の遊星歯車と、前記第１の遊星歯車及び前記第２の遊星歯車に外接し、前記太陽軸に同軸に配置されたアイドラ歯車と、を含むことを特徴とする差動減速機が提供される。

また、実施形態の別の観点によれば、入力軸の回転により、第１の遊星歯車及び第２の遊星歯車を太陽軸回りに公転させ、静止歯車に噛み合わされた第１の遊星歯車を自転させ、前記第１の遊星歯車の自転による回転を前記太陽軸に同軸に配置されたアイドラ歯車に伝達し、前記アイドラ歯車に噛み合わされた第２の遊星歯車を自転させ、前記第２の遊星歯車に連結された出力歯車を回転させることを特徴とする差動減速方法が提供される。

２つの遊星歯車の回転をアイドラ歯車を介して伝達することにより、特殊な歯車を使わず、少ない歯車数で高い減速比を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る差動減速機の原理の一例を説明する図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る差動減速機の原理において減速比の計算方法の一例を説明する図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る差動減速機の原理において各歯車の歯数の選択例を説明する図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る差動減速機を出力側からみた構成の一例を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る差動減速機において、図４のＡ−Ａ線に沿った断面の一例を示す斜視図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る差動減速機において、図４のＢ−Ｂ線に沿った断面の一例を示す図である。 図７は、従来の差動減速機の一例を示す図である。

発明の目的及び利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素及び組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、典型例及び説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない。

最初に、図１を用いて、差動減速機の原理について説明する。
差動減速機１は、入力軸である太陽軸２上に入力側から順番に遊星キャリア３と、出力歯車４と、アイドラ歯車５と、静止歯車６とが同軸に配置されている。
遊星キャリア３には、複数の遊星歯車１０，１１が回転自在に支持されている。第１の遊星歯車１０は、遊星キャリア３に固定された回転軸１０ｃを有し、回転軸１０ｃには第１の歯車１０ａ及び第２の歯車１０ｂが回転自在に支持されている。第１の歯車１０ａと第２の歯車１０ｂは、一体に製造されており、回転軸１０ｃを中心に自転可能であると共に、遊星キャリア３の回転に従って太陽軸２を中心に公転することができる。第１の歯車１０ａは、静止歯車６に噛み合わされている。第２の歯車１０ｂは、アイドラ歯車５に噛み合わされている。このために、第１の遊星歯車１０は、静止歯車６とアイドラ歯車５に外接しながら公転と自転の両方の回転が可能である。第１の遊星歯車１０は、重量バランスのため、図示していない反対側にも設けられている。

第２の遊星歯車１１は、遊星キャリア３に固定された回転軸１１ｃを有し、回転軸１１ｃには第３の歯車１１ａ及び第４の歯車１１ｂが回転自在に支持されている。第３の歯車１１ａと第４の歯車１１ｂは、一体に製造されており、回転軸１１ｃを中心に自転可能であると共に、遊星キャリア３の回転に従って太陽軸２を中心に公転することができる。第３の歯車１１ａは、アイドラ歯車５に噛み合わされている。第４の歯車１１ｂは、出力歯車４に噛み合わされている。このために、第２の遊星歯車１１は、アイドラ歯車５と出力歯車４に外接しながら公転と自転の両方の回転が可能である。第２の遊星歯車１１は、重量バランスのため、図示していない反対側にも設けられている。

この差動減速機１を使用するときは、太陽軸２を回転させて、遊星キャリア３を太陽軸２回りに回転させる。遊星キャリア３が回転すると、第１の遊星歯車１０が太陽軸２回りに公転する。このとき、第１の遊星歯車１０の第１の歯車１０ａは静止歯車６に外接しており、静止歯車６は静止しているので、第１の遊星歯車の公転に伴って第１の歯車１０ａが静止歯車６の外周に接触しながら外転する。ここで、第１の歯車１０ａには第２の歯車１０ｂが結合しているので、第２の歯車１０ｂが第１の歯車１０ａと同じ回転数でアイドラ歯車５の周りを回転する。このように遊星キャリア３を回転させることによって、太陽軸２の回転が第１の遊星歯車１０を介してアイドラ歯車５に伝達される。

さらに、アイドラ歯車５には、第２の遊星歯車１１の第３の歯車１１ａも噛み合わされている。第２の遊星歯車１１は遊星キャリア３によって太陽軸２回りに公転しているので、アイドラ歯車５が相対的に静止状態を維持する代わりに、第２の遊星歯車１１の第３の歯車１１ａがアイドラ歯車５の回りを外転し、第３の歯車１１ａが回転軸１１ｃの回りに自転する。これによって、第３の歯車１１ａに結合された第４の歯車１１ｂが第３の歯車１１ａと同じ回転数で回転し、出力歯車４を回転させる。以上の伝達によって、太陽軸２を回転させると、２つの遊星歯車１０，１１を介して出力歯車４が回転する。

次に差動減速機１の減速比の計算方法について説明する。
遊星歯車１０，１１を使った場合の減速比を直接計算するのは難しいので、図２に示すように、（Ａ）入力軸を回転させず静止歯車６を回転させた場合の出力と、（Ｂ）全体を１回転させた場合の出力を計算し、出力の合計を求めることで減速比を計算する。なお、Ｚａは、静止歯車６の歯数、Ｚｂは第１の歯車１０ａの歯数、Ｚｃは第２の歯車１０ｂの歯数とする。さらに、Ｚｄは第３の歯車１１ａの歯数、Ｚｅは第４の歯車１１ｂの歯数、Ｚｆは出力歯車４の歯数である。そして、Ｚｉはアイドラ歯車５の歯数である。

ケース（Ａ）の入力軸を回転させず静止歯車６を回転させた場合には、静止歯車６の回転を「−１」、入力を「０」とすると、出力は「−（Ｚａ・Ｚｃ・Ｚｅ）／（Ｚｂ・Ｚｄ・Ｚｆ）」になる。また、ケース（Ｂ）の全体を１回転させた場合、静止歯車６の回転、入力側の回転、出力側の回転が共に「１」になる。（Ａ）と（Ｂ）を合計すると、静止歯車６の回転は「０」、即ち静止状態になり、入力は「１」、即ち回転状態になる。この状態は、差動減速機１の運転状態を示し、その出力は「１−（Ｚａ・Ｚｃ・Ｚｅ）／（Ｚｂ・Ｚｄ・Ｚｆ）」になる。従って、差動減速機１の減速比は、入力／出力＝１／｛１−（Ｚａ・Ｚｃ・Ｚｅ）／（Ｚｂ・Ｚｄ・Ｚｆ）｝となる。

ここで、（Ｚａ・Ｚｃ・Ｚｅ）／（Ｚｂ・Ｚｄ・Ｚｆ）を１に近づけると、高減速が得られる。ただし、遊星歯車１０，１１は２つの太陽歯車（この場合は、アイドラ歯車５及び静止歯車６）に接していて、遊星歯車１０，１１の自転する回転軸１０ｃ，１１ｃが太陽軸２と平行になるには、次の条件が必要である。
（ａ）歯車４，５，６，１０，１１のモジュールが全て同じ場合
Ｚａ＋Ｚｂ＝Ｚｉ＋Ｚｃ （１）
Ｚｉ＋Ｚｄ＝Ｚｆ＋Ｚｅ （２）
（ｂ）歯車４，５，６，１０，１１のモジュールが異なる場合
静止歯車６のモジュールをｍ１とすると、第１の歯車１０ａも同じモジュールｍ１となり、アイドラ歯車５のモジュールをｍ２とすると、第２の歯車１０ｂと第３の歯車１１ａもモジュールｍ２となり、出力歯車４のモジュールをｍ３とすると、第４の歯車１１ｂもモジュールｍ３となる。従って、
ｍ１（Ｚａ＋Ｚｂ）＝ｍ２（Ｚｉ＋Ｚｃ） （３）
ｍ２（Ｚｉ＋Ｚｄ）＝ｍ３（Ｚｆ＋Ｚｅ） （４）
歯車５，６，１０，１１のモジュールが全て同じで、式（１）及び式（２）を同時に満たす組合せは少なく、実現可能な歯数は少ない。しかしながら、モジュールｍ１、ｍ２、ｍ３を変えることで、式（３）及び式（４）を同時に成立させることが可能になるので、歯数の選択肢は増える。

これらの条件を満たす歯数の例を図３に示す。
図３（ａ）に示す例１では、Ｚａ＝３６、Ｚｂ＝３１、Ｚｃ＝２３、Ｚｄ＝２９、Ｚｅ＝３８、Ｚｆ＝３５、Ｚｉ＝４４を選択することにより、
式（１）及び式（２）は、
Ｚａ＋Ｚｂ＝Ｚｉ＋Ｚｃ＝６７
Ｚｉ＋Ｚｄ＝Ｚｆ＋Ｚｅ＝７３
となり、条件を満たす。この場合の減速比は、１／｛１−（３６・２３・３８）／（３１・２９・３５）｝＝３１４６５になる。

また、図３（ｂ）に示す例２では、Ｚａ＝２９、Ｚｂ＝１４、Ｚｃ＝１７、Ｚｄ＝２７、Ｚｅ＝２３、Ｚｆ＝３０、Ｚｉ＝２６を選択することにより、
式（１）及び式（２）は、
Ｚａ＋Ｚｂ＝Ｚｉ＋Ｚｃ＝４３
Ｚｉ＋Ｚｄ＝Ｚｆ＋Ｚｅ＝５３
となり、条件を満たす。この場合の減速比は、１／｛１−（２９・１７・２３）／（１４・２７・３０）｝＝１１３４０になる。
このように、この差動減速機１では、内歯車を使わず作り易い平歯車だけで構成することが可能になり、高い減速比を得ることが可能になる。

次に、差動減速機の実施例について図４〜図６を参照して説明する。なお、図４は、差動減速機１を出力側からみた正面図であり、図５は図４のＡ−Ａ線に沿った断面を示す斜視図である。また、図６は、図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
差動減速機１は、ケース２０によって複数歯車の周囲を囲んでいる。ケース２０は、不図示の他の装置などに固定されており、中央には太陽軸２が配置されている。太陽軸２上には、入力軸２１と出力軸２２が配置されている。入力軸２１は、一対のベアリング３０でケース２０に回転自在に支持されており、一端部がケース２０の外側に突出し、他端部が遊星キャリア３に接続されている。出力軸２２は、一端側が遊星キャリア３にベアリング３１で回転自在に支持されている。一端部には、出力歯車４が一体に形成されている。さらに、出力軸２２は、アイドラ歯車５及び静止歯車６を貫通してケース２０の外側に引き出されている。アイドラ歯車５は、一対のベアリング３２によって出力軸２２に回転自在に支持されている。静止歯車６は、ケース２０に固定されると共に、一対のベアリング３３で出力軸２２を回転自在に支持している。入力軸２１、遊星キャリア３、出力歯車４、アイドラ歯車５、静止歯車６、出力軸２２は、同軸、即ち太陽軸２上に配置されている。

遊星キャリア３は、太陽軸２に直交する径方向に延び、第１の遊星歯車１０の回転軸１０ｃと、第２の遊星歯車１１の回転軸１１ｃが２つずつ固定されている。第１の遊星歯車１０の回転軸１０ｃは、太陽軸２を中心として対称な位置に１つずつ固定されている。第２の遊星歯車１１の回転軸１１ｃは、太陽軸２を中心として対称な位置で、かつ第１の遊星歯車１０の回転軸１０ｃから回転方向に約９０°ずれた位置に１つずつ固定されている。

第１の遊星歯車１０は、回転軸１０ｃにベアリング３５を介して第１の歯車１０ａと第２の歯車１０ｂが回転自在に取り付けられている。第１の歯車１０ａと第２の歯車１０ｂは一体に形成されている。第１の歯車１０ａは、静止歯車６に噛み合わされている。第２の歯車１０ｂは、アイドラ歯車５に噛み合わされている。

第２の遊星歯車１１は、回転軸１１ｃにベアリング３６を介して第３の歯車１１ａと第４の歯車１１ｂが回転自在に取り付けられている。第３の歯車１１ａと第４の歯車１１ｂは一体に形成されている。第３の歯車１１ａは、アイドラ歯車５に噛み合わされている。第４の歯車１１ｂは、出力歯車４に噛み合されている。

この差動減速機１では、入力軸２１を回転させると、遊星キャリア３が回転し、遊星歯車１０，１１が太陽軸２を中心に公転する。このとき、第１の遊星歯車１０の第１の歯車１０ａが静止歯車６に外接していることから、第１の歯車１０ａが静止歯車６によって回転させられる。これによって、第１の遊星歯車１０が自転し、第１の歯車１０ａに一体に連結されている第２の歯車１０ｂが回転する。第２の歯車１０ａの回転は、アイドラ歯車５を介して第２の遊星歯車１１の第３の歯車１１ａに回転が伝達される。これによって、第２の遊星歯車１１が太陽軸２回りに公転しながら自転し、第３の歯車１１ａに一体に連結されている第４の歯車１１ｂが回転し、出力歯車４が回転させられる。出力歯車４が回転すると、出力軸２２が回転する。このようにして、差動減速機１の入力軸２１に入力された回転が減速されて出力軸２２に伝達される。例えば、図３（ａ）に示すように、各歯車４〜６，１０，１１の歯数を選択すると、差動減速機１の減速比が３１４６５になる。また、図３（ｂ）の例では、差動減速機１の減速比は１１３４０になる。

以上、説明したように、差動減速機１では、アイドラ歯車５を介して２つの遊星歯車１０，１１を連結させることにより、特殊な歯車を使わず、少ない歯車数で高減速まで幅広い減速比を実現することができる。これによって、例えば、少ない動力から大きい力を取り出すことが可能になる。

ここで挙げた全ての例及び条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明及び概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例及び条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換及び変形を施すことができる。

１ 差動減速機
２ 太陽軸
３ 遊星キャリア
４ 出力歯車
５ アイドラ歯車
６ 静止歯車
１０ 第１の遊星歯車
１０ａ 第１の歯車
１０ｂ 第２の歯車
１１ 第２の遊星歯車
１１ａ 第３の歯車
１１ｂ 第４の歯車
２１ 入力軸
２２ 出力軸

Claims (4)

1. 入力軸に連結された遊星キャリアに軸支され、静止歯車に外接する第１の遊星歯車と、
   前記遊星キャリアに軸支され、太陽軸と同軸に配置された出力歯車に外接する第２の遊星歯車と、
   前記第１の遊星歯車及び前記第２の遊星歯車に外接し、前記太陽軸に同軸に配置されたアイドラ歯車と、
   を含むことを特徴とする差動減速機。
2. 前記第１の遊星歯車は、前記静止歯車に噛み合う第１の歯車と、前記アイドラ歯車に噛み合う第２の歯車とが同軸に配置され、
   前記第２の遊星歯車は、前記アイドラ歯車に噛み合う第３の歯車と、前記出力歯車に噛み合う第４の歯車とが同軸に配置されることを特徴とする請求項１に記載の差動減速機。
3. 前記第１の歯車の歯数が前記第２の歯車の歯数より小さく、
   前記第３の歯車の歯数が前記第４の歯車の歯数より大きいことを特徴とする請求項２に記載の差動減速機。
4. 入力軸の回転により、第１の遊星歯車及び第２の遊星歯車を太陽軸回りに公転させ、静止歯車に噛み合わされた第１の遊星歯車を自転させ、
   前記第１の遊星歯車の自転による回転を前記太陽軸に同軸に配置されたアイドラ歯車に伝達し、前記アイドラ歯車に噛み合わされた第２の遊星歯車を自転させ、前記第２の遊星歯車に連結された出力歯車を回転させることを特徴とする差動減速方法。

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