JP2018066468A

JP2018066468A - 遊星歯車装置

Info

Publication number: JP2018066468A
Application number: JP2016219209A
Authority: JP
Inventors: 水野　博; Hiroshi Mizuno; 博水野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-10-23
Filing date: 2016-10-23
Publication date: 2018-04-26

Abstract

【課題】入力部を停止・固定した際の、バックラッシュ量が少なく、正転側のオーバーランまたは逆転を防止できる遊星歯車装置及び３Ｋ型不思議遊星歯車装置、並びにそれに基づくロボット関節を提供するものである。【解決手段】普通遊星歯車装置及び３Ｋ型不思議遊星歯車装置において、入力回転部を停止後、固定した際に、以下の状態の遊星歯車を１個から（遊星歯車個数−１）個、発生させる。時計側死点遊星歯車：出力部を反時計側には回転可能だが、時計側には回転不能。反時計側死点遊星歯車：出力部を時計側には回転可能だが、反時計側には回転不能。【選択図】図３

Description

本発明は、遊星歯車装置において、入力部を停止後、固定した状態で、出力部の逆転または正転側へのオーバーランを防止し、バックラッシュを低減させる方法に関するものである。

従来、歯車機構には、円滑に動作することができるように、ある程度のガタ（バックラッシュ）を設けている。近年、高い停止精度を求められるケースが増え、遊星歯車においても、バックラッシュ量を低減させるために、各種の方法が採られて来た。噛み合い点の位相差を用いたものとしては、次の様なものが有る。

特開２０１１−２３１８４２

これは複数の２段構造遊星歯車の中で、基準位相の物と異位相の物を共存させる事により、低バックラッシュ化させるものである。

しかし遊星歯車の上下の角度を高精度で合わせる事が不可欠である。場合によっては、減速機として機能しなくなる事も起こり得る。品質、製造コストの点で不利である。以上の問題を考慮し、簡便な構造で実現する方法を提供するものである。

太陽歯車（歯数Ｚ１）とその周囲に複数個の遊星歯車（歯数Ｚ２）、更にその外周に固定内歯車（歯数Ｚ３）、及び各遊星歯車を自転・公転可能に支持しているキャリアを有する普通の遊星歯車装置を考える。入力部を停止後、固定された状態において、歯の当たる面の関係から、少なくとも下記の２種類のうちのいずれか一方を、１個から（ｎ−１）個を存在させる。
時計側死点遊星歯車：出力部を反時計側に回すのには支障は無いが、出力部を時計側に回す際は、固定されている歯車が障害に成り、回せない。
反時計側死点遊星歯車：出力部を時計側に回すのには支障は無いが、出力部を反時計側に回す際は、固定されている歯車が障害に成り、回せない。
これが請求項１である。

ｎ個全てを片側の死点遊星歯車にしないのは、噛み合い面が全て同一になり、隙間も全て同じ側になる事でバックラッシュが大きくなる事を回避するためである。これまでは、太陽歯車歯数、内歯車歯数は、遊星歯車個数の倍数が採られる事が多かった。その場合、太陽歯車７と内歯車６の噛み合い部の位相は全て同じになり、時計側か反時計側のどちらか一方の面にしか噛み合わない。この事を避けるために、Ｚ１、Ｚ３は共に遊星歯車個数の倍数ではない数とする。遊星歯車装置を水平に置いた場合を考える。
太陽歯車から入力を与えた場合には、太陽歯車の動力伝達側の面に噛み合い面が偏る傾向が有る事が確認されている。一方、固定内歯車では、比較的にどちらの面にも噛み合い易い。これは遊星歯車の自転による噛みあい易い面と公転による噛み合い易い面が異なる事が大きな要因である。そこで遊星歯車歯数を奇数にする事で、請求項１の状態を作り出す事ができる。

概略を図１に示す。キャリアから出力させるプラネタリ型である。入力回転停止後、サーボモータやステッピングモータの作用により、太陽歯車７を固定する。この図における１２時位置、６時位置の遊星歯車が反時計側死点遊星歯車となる。この状態では、キャリアに外力を作用させ、遊星歯車を時計方向に公転させる事はできる。しかしキャリアを反時計方向に回そうとしても、固定された太陽歯車７と固定内歯車６が障害となり回せない。出力回転方向に対し、逆転防止になっている。次に、３時位置歯車を考える。この遊星歯車のみであれば、時計側にも反時計側にも、キャリア公転できる。しかし反時計側死点遊星歯車２ｂが有り、時計側にしか回せない。各遊星歯車は異なった位相点で噛み合い、全遊星歯車のうち、１個でも時計側死点遊星になれば公転は止まる。以上から、装置としてのバックラッシュは、歯車間バックラッシュ未満に低減できる。

太陽歯車に反時計側に入力回転を与えた時の状態図が図２である。向きが反対になっただけであり、作用としては同様である。図１、図２いずれにおいても、遊星歯車装置に、重力、磁力、バネ力などの外力をバックラッシュ発生側に働かせて更に低減させたり、両方の死点遊星歯車を共存させ、時計方向にも反時計方向にも動かせない０バックラッシュ状態にする事も可能である。例えば、図３の様に、遊星歯車装置を、垂直置きにする。３時位置、９時位置付近では、重力の作用する方向が、時計側、反時計側と反対になる。このため時計側死点遊星歯車と反時計側死点遊星歯車の共存が起き、ノンバックラッシュ化される。

太陽歯車（歯数Ｚ１）とその周囲に複数個の遊星歯車（歯数Ｚ２）、更にその外周に回転不能な固定内歯車（歯数Ｚ３）、及び回転可能な出力内歯車（歯数Ｚ４）、及び各遊星歯車を自転・公転可能に支持しているキャリアを有するいわゆる３Ｋ型不思議遊星歯車装置においては、以下のようにする。太陽歯車を停止後、固定された状態において、少なくとも下記の２種類の遊星歯車のうちのいずれか一方を、１個から（ｎ−１）個を存在させる。
反時計側死点遊星歯車：出力歯車を反時計側に回転させようとしても、固定状態にある太陽歯車と固定歯車が障害になり回転不能。
時計側死点遊星歯車：出力歯車を時計側に回転させようとしても、固定状態にある太陽歯車と固定歯車が障害になり回転不能。
これが請求項２である。

３Ｋ型不思議遊星歯車装置では、普通遊星歯車装置以上に、各歯車が同位相で噛み合う様に歯数設定される頻度が高い。固定側においては、構造や動作原理は普通の遊星歯車装置プラネタリ型と変わりはない。歯数設定は、以下の通りである。
Ｚ１：遊星歯車個数の倍数ではない。
Ｚ２：奇数
Ｚ３：遊星歯車個数の倍数ではない。
Ｚ４：Ｚ３＋遊星歯車個数、若しくは、Ｚ３−遊星歯車個数
Ｚ４をこの様にする事で、初期状態において、固定歯車と同じ位相点で噛合せる事ができ、組立が可能になる。遊星歯車は、ストレート形状で、固定側も出力側も、同じ自転・公転をしている。従って固定側・出力側両方の位相変化速度は同じである。よって動作後も固定歯車と出力歯車は同じ位相点で噛み合っていく。出力歯車がそうなる位置に誘導される事で可能になる。Ｚ４は、必然的に遊星歯車個数の倍数でなくなるので、出力歯車も異位相で噛み合う。

図５に図１を固定側とし、出力内歯車１１の歯数を固定内歯車６の歯数３９に対し、４枚増の４３枚とした場合の噛み合い状態図が示されている。出力内歯車１１を時計方向に回そうとしても、１２時位置、６時位置の遊星歯車が固定されている太陽歯車７により、回せない。即ち図１と異なり、時計側死点遊星歯車２ａとなる。この場合は、Ｚ４がＺ３よりも大きいため、入力回転向きと出力回転向きが、同じである。このため、逆転防止ではなく、出力回転のオーバーラン防止として作用する。３時位置の遊星歯車２は、単独では、歯車間バックラッシュ分動けるが、時計側死点遊星歯車２ａにより、片側にしか動けない。このようにして、装置としてのバックラッシュは低減される。逆転防止として作用させたい場合には、Ｚ４をＺ３より小さくし、入力方向と出力方向を反対にさせれば良い。普通遊星歯車同様に、外力を作用させ、バックラッシュ発生側のガタを低減させる事も可能である。

請求項２に基づく３Ｋ型不思議遊星歯車の出力内歯車の外周に対し、凸部若しくは凹部を設け、アームを着脱可能にさせ、ロボット関節化させた。これが請求項３である。

歯形をインボリュートではなく、コルヌ歯形とする事で、歯車間バックラッシュ値を低減させることができる。これが請求項４である。

請求項１により、普通遊星歯車装置において、個々の歯車間には円滑動作するために必要なバックラッシュが有りながらも、遊星歯車装置全体では低バックラッシュ状態を発生させる事ができる。簡単な構造・原理であるために、小型化にも適し、製造原価も安くて済み、故障等のトラブルリスクも少ない。

請求項２により、３Ｋ型不思議遊星歯車装置に対し、バックラッシュ低減が可能になる。３Ｋ型不思議遊星歯車は、高分解能が得られる機構であり、停止位置が最適化できる。高い停止精度が得られる事で、組立装置等では、信頼性が向上する。

請求項３により、小型軽量省部品低原価でありながら、高分解能、高停止精度のロボット関節が実現できる。

請求項４により、バックラッシュ値を更に低減できる。コルヌ歯型は摩耗や発熱の悪影響も少ないため、その点でも有利である。

歯車は、以下のように選択した。図１、図２に示されている。
歯型インボリュート曲線
太陽歯車歯数１３
遊星歯車歯数１３
固定内歯車歯数３９
遊星歯車個数４
減速比４
試作を行い、水平置きし、太陽歯車から入力回転を与え、キャリア公転を出力とするプラネタリ型において、入力回転とは逆向きの死点遊星歯車が発生し、逆転防止、低バックラッシュ化される事が確認されている。垂直置きした場合に、両方の死点遊星歯車が発生する事も確認されている。

遊星歯車装置は、以下の様に選択した。
歯型コルヌ曲線
歯車モジュール２
太陽歯車歯数１０
遊星歯車歯数１７
内歯車歯数４４
遊星歯車個数３
インボリュート歯形でのＪＩＳＢ１７０３、０級でのバックラッシュ量は、以下の通りである。
太陽歯車の歯厚減少量最小値４０μｍ最大値１００μｍ
遊星歯車の歯厚減少量最小値５０μｍ最大値１２０μｍ
内歯車の歯厚減少量最小値６０μｍ最大値１４０μｍ
太陽歯車側バックラッシュ
最小値４０＋５０＝９０μｍ
最大値１００＋１２０＝２２０μｍ
内歯車側バックラッシュ
最小値５０＋６０＝１１０μｍ
最大値１２０＋１４０＝２６０μｍ
コルヌ歯形では、バックラッシュ量６０μｍでも、円滑に回転する事が確認されている。結果、請求項１の効果に相乗され、装置バックラッシュは大幅に低減される。減速比は５．４で、１回転２００パルスのステッピングモータと接続する事で出力角１度当たり３パルスとなり、全整数角に対応できる。この様な事は、減速比を１．８の倍数とする事で可能である。

図４に普通遊星歯車装置において、磁力により更にバックラッシュ低減した例を示す。太陽歯車７に入力回転が与えられ、遊星歯車２は自転・公転し、キャリアＡ３、キャリアＢ４が出力回転する。出力回転部と固定部に磁石を対向面がＮ極同士かＳ極同士になる様に設置する。図４ではキャリアＢ４とケースＢ１８に取り付けている。組立や搬送などでは、停止位置が限定され、常に同じシーケンス動作をする事が少なくない。そこで停止位置のバックラッシュ発生側の適切な位置にＡ点用磁石１９、Ｂ点用磁石２０が取り付けられている。キャリア用磁石２１はこれらから反発力を受けるが、意図した停止位置から離れる程、力は大きくなる。このためバックラッシュ低減される。

歯車は、以下のように選択した。
太陽歯車７歯数１１
遊星歯車歯数２９
固定内歯車歯数６７
出力内歯車歯数７０
遊星歯車個数３
減速比は、＋１８４．６であり、入力と出力は同方向である。

図６に請求項２に基づく３Ｋ型不思議遊星歯車装置に対し、原点位置において、磁石によりノンバックラッシュ化した例を示す。原点位置に復帰させる際には、時計側回転か反時計側回転のいずれか一方に限定する。都合の悪い場合には、逆方向回転させ、原点位置を通過させた後に、正方向回転で戻せば良い。この様にしてバックラッシュ発生側を定める。固定側磁石２４と出力側磁石２５により反発力が発生し、バックラッシュが抑制される。その後、入力パルス数に応じた回転をするが、原点位置精度が向上したため、通過点位置精度、停止位置精度も向上する。

図７に請求項３に基づくロボット関節を示す。出力内歯車１１、固定内歯車６の円周に対して、凹部にあたるＤカットが施されている。モータ２２はステッピングモータを用いた。モータ軸２２ａはＤカットが施され、太陽歯車７、軸受８、抜け止め１５と嵌合している。天板１４が出力内歯車１１に固定され、軸受８の嵌め合いにより水平方向に強制されている。また軸方向はモータ軸２２ａに固定された抜け止め１５により強制されている。出力内歯車１１、固定内歯車６のＤカット部にアタッチメントを介してアームＡ１２、アームＢ１３が接続される。アームＡ１２、アームＢ１３の長さは自由に変える事ができる。この様にしてできた関節を複数個連結させ、多関節ロボットとする事も可能である。

図８に請求項３に基づくロボット関節を示す。出力内歯車１１、固定内歯車６の円周に対しては、凸部が設けられている。出力内歯車１１、固定内歯車６は亜鉛ダイキャストで製作されている。アームＡ１２、アームＢ１３は直接、固定内歯車６、出力内歯車１１と接続される。それ以外は実施例６と同様である。

普通遊星歯車型において太陽歯車に時計側入力した噛み合い状態図である。普通遊星歯車型において太陽歯車に反時計側入力した噛み合い状態図である。普通遊星歯車型において縦置きした時の噛み合い状態図である。普通遊星歯車型の停止位置を磁石でバックラッシュ低減させた構造図である。図１に対し、３Ｋ型不思議遊星歯車装置の出力側を示す噛み合い状態図である。３Ｋ型不思議遊星歯車型の原点位置を磁石でバックラッシュ低減させた構造図である。ロボット関節を示す分解図である。ロボット関節を示す分解図である。

１普通遊星歯車装置
２遊星歯車
２ａ時計側死点遊星歯車
２ｂ反時計側死点遊星歯車
３キャリアＡ
４キャリアＢ
５スペーサ
６固定内歯車
７太陽歯車
８軸受
９カミアイ点
１０３Ｋ型不思議遊星歯車装置
１１出力内歯車
１２アームＡ
１３アームＢ
１４天板
１５抜け止め
１６アタッチメント
１７ケースＡ
１８ケースＢ
１９Ａ点用磁石
２０Ｂ点用磁石
２１キャリア用磁石
２２モータ
２２ａモータ軸
２３リング
２４固定側磁石
２５出力側磁石
２６出力軸

Claims

太陽歯車（歯数Ｚ１）とその周囲にｎ個（ｎは２以上）の遊星歯車（歯数Ｚ２）、更にその外周に内歯車（歯数Ｚ３）、及び各遊星歯車を自転または公転可能に支持しているキャリアを有するとともに、入力部を停止後、固定された状態において、少なくとも下記の２種類のうちのいずれか一方を、１個から（ｎ−１）個の遊星歯車を存在させた事を特徴とする遊星歯車装置。
時計側死点遊星歯車：出力部を反時計側に回すのには支障は無いが、出力部を時計側に回す際は、固定されている歯車が障害に成り、回せない。
反時計側死点遊星歯車：出力部を時計側に回すのには支障は無いが、出力部を時計側に回す際は、固定されている歯車が障害に成り、回せない。
太陽歯車（歯数Ｚ１）とその周囲に複数個の遊星歯車（歯数Ｚ２）、更にその外周に回転不能な固定内歯車（歯数Ｚ３）、及び回転可能な出力内歯車（歯数Ｚ４）、及び各遊星歯車を自転・公転可能に支持しているキャリアを有するとともに、太陽歯車を停止後、固定された状態において、少なくとも下記の２種類のうちのいずれか一方を、１個から（ｎ−１）個の遊星歯車を存在させた事を特徴とする３Ｋ型不思議遊星歯車装置。
反時計側死点遊星歯車：出力歯車を反時計側に回転させようとしても、固定状態にある歯車が障害になり回転不能。
時計側死点遊星歯車：出力歯車を時計側に回転させようとしても、固定状態にある歯車が障害になり回転不能。
歯形をコルヌ曲線とする事を特徴とする請求項１，２記載の遊星歯車装置。
モータが直列され、固定内歯車、出力内歯車の外周部に、凹部または凸部を設け、ロボット関節化を可能にした事を特徴とする請求項２記載の３Ｋ型不思議遊星歯車装置及びそれに基づくロボット関節。