JP2019015365A - 減速機 - Google Patents

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仁 井上
暉久夫 岡村
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Abstract

【課題】減速機の部品点数を抑えて、減速機を小型化しやすい構造を提供すること。
【解決手段】この減速機は、入力回転体と、出力回転体と、ハウジングとを有する。入力回転体は、入力シャフトと、腕部と、ローラとを含む。出力回転体は、可動クラウンギアと、出力シャフトとを含む。ハウジングは、固定クラウンギアを含む。可動クラウンギアおよび固定クラウンギアは、中心軸に対して垂直または斜めに拡がる。また、可動クラウンギアと固定クラウンギアとは、互いに対向する側面歯を有する。ローラは、可動クラウンギアの周方向の一部分に接触する。可動クラウンギアと固定クラウンギアとは、ローラから受ける押圧によって、部分的に噛み合う。そして、可動クラウンギアと固定クラウンギアとの歯数の差によって、固定クラウンギアに対して可動クラウンギアが、出力回転数で回転する。
【選択図】図1

Description

本発明は、減速機に関する。
近年、人と協調して作業を行う小型ロボットの開発が、活発に行われている。この種のロボットには、極めて細かい動作が求められる。このため、ロボットの関節部分に組み込まれる小型で安価な減速機の需要が高まっている。従来の減速機については、例えば、特開2011−002084号公報に記載されている。
特開2011−002084号公報の減速機は、環状剛性歯車9と、環状撓性歯車5とを有する。環状撓性歯車5は、柔軟性を有する軸受3を介して、環状撓性歯車回転機構2により、波形に変形させられている。これにより、環状撓性歯車5の一部のみが、環状剛性歯車9に噛合する。
特開2011−002084号公報
上記のように、特開2011−002084の構造では、環状撓性歯車5と環状撓性歯車回転機構2との間に、柔軟性を有する軸受3が配置されている。このため、特開2011−002084の構造では、高価な軸受3により製造コストが増加するとともに、部品点数が増加し、減速機の小型化が困難となる。また、変形する軸受は騒音の要因ともなり得る。
本発明の目的は、減速機の部品点数を抑えて、減速機を小型化しやすい構造を提供することである。
本願の例示的な一実施形態は、入力回転数の回転運動を、前記入力回転数よりも低い出力回転数の回転運動に変換する減速機であって、中心軸を中心として、前記入力回転数で回転する入力回転体と、前記中心軸を中心として、前記出力回転数で回転する出力回転体と、前記入力回転体および前記出力回転体を支持するハウジングと、を備え、前記入力回転体は、入力シャフトと、前記入力シャフトから径方向外側へ向けて延びる腕部と、前記腕部に支持された回転軸を中心として回転するローラと、を含み、前記出力回転体は、前記中心軸に対して垂直または斜めに拡がるとともに、可撓性を有し、前記中心軸を中心として円環状に並ぶ複数の第1側面歯を有する可動クラウンギアと、前記可動クラウンギアの中央から前記中心軸に沿って延びる出力シャフトと、を含み、前記ハウジングは、前記中心軸に対して垂直または斜めに拡がり、前記中心軸を中心として円環状に並ぶ複数の第2側面歯を有する固定クラウンギアを含み、前記可動クラウンギアの前記第1側面歯の歯数と、前記固定クラウンギアの前記第2側面歯の歯数とが、相違し、前記可動クラウンギアの周方向の一部分に、前記ローラが接触し、前記ローラから受ける押圧によって、前記固定クラウンギアと前記可動クラウンギアとが部分的に噛み合い、前記入力回転体の回転に伴い、前記可動クラウンギアと前記固定クラウンギアとの噛み合う位置が、前記中心軸を中心として、前記入力回転数で周方向に変化し、前記第1側面歯と前記第2側面歯との歯数の差によって、前記クラウンギアに対して前記可動クラウンギアが、前記出力回転数で回転する。
本願の例示的な一実施形態によれば、可動クラウンギアにローラを接触させることで、別途柔軟性を有する軸受を介在させることなく、可動クラウンギアの周方向の一部分を軸方向に変形させることができる。したがって、減速機の部品点数を抑えて、減速機を小型化しやすくなる。
図1は、減速機の縦断面図である。 図2は、減速機の縦断面図である。 図3は、減速機の横断面図である。 図4は、ハウジングの横断面図である。 図5は、減速機の部分縦断面図である。 図6は、変形例に係る減速機の縦断面図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、入力回転体および出力回転体の中心軸と平行な方向を「軸方向」、中心軸に直交する方向を「径方向」、中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。ただし、上記の「平行な方向」は、略平行な方向も含む。また、上記の「直交する方向」は、略直交する方向も含む。また、以下では、軸方向に沿って入力回転体側を「入力側」、出力回転体側を「出力側」、とそれぞれ称する。
<1.減速機の構成>
図1および図2は、本発明の一実施形態に係る減速機1の縦断面図である。図3は、減速機1の横断面図である。なお、図1は、図3中のA−A位置から見た減速機1の断面を示している。図2は、図3中のB−B位置から見た減速機1の断面を示している。図3は、図1および図2中のC−C位置から見た減速機1の断面を示している。
この減速機1は、外部のモータから得られる入力回転数の回転運動を、入力回転数よりも低い出力回転数の回転運動に変換する装置である。減速機1は、例えば、人と協調して作業を行う小型ロボットの関節部分に組み込まれる。ただし、本発明の減速機は、アシストスーツ、車椅子、無人搬送車などの他の機器に使用されてもよい。
図1に示すように、本実施形態の減速機1は、入力シャフト10、2本の腕部20、2つのローラ30、可動クラウンギア40、出力シャフト50、およびハウジング60を有する。入力シャフト10、2本の腕部20、および2つのローラ30は、中心軸9を中心として入力回転数で回転する入力回転体81を構成する。可動クラウンギア40および出力シャフト50は、中心軸9を中心として出力回転数で回転する出力回転体82を構成する。
入力シャフト10は、中心軸9に沿って延びる円柱状の部材である。入力シャフト10は、ハウジング60の後述する入力孔610に、挿入される。また、入力シャフト10は、ハウジング60に、軸受11を介して回転可能に支持される。軸受11には、例えばボールベアリングが用いられる。入力シャフト10の入力側の端部は、直接または他の動力伝達機構を介して、外部のモータに接続される。モータを駆動させると、入力シャフト10は、中心軸9を中心として、入力回転数で回転する。入力シャフト10の出力側の端部は、ハウジング60の内部に位置する。なお、入力シャフト10の出力側の端部は、出力シャフト50と、ベアリングを介して接続されていてもよい。
2本の腕部20は、入力シャフト10から径方向外側へ向けて延びる部材である。各腕部20の径方向内側の端部は、入力シャフト10に対して、例えばねじ止めで固定される。上述したモータの駆動時には、入力シャフト10とともに腕部20も、中心軸9を中心として、入力回転数で回転する。本実施形態では、径方向に延びる棒状の腕部20が、入力シャフト10の周囲に180°間隔で設けられている。ただし、腕部20の形状、数、および周方向の位置は、本実施形態の通りでなくてもよい。また、腕部20は、周方向に繋がっていてもよい。
2つのローラ30は、腕部20の径方向外側の先端に保持された回転体である。ローラ30の回転軸31は、軸方向および径方向に対して傾斜し、かつ、周方向に対して垂直な姿勢で、腕部20に支持される。ローラ30は、当該回転軸31に、回転自在に取り付けられる。ローラ30は、回転軸31を中心とする円錐状の外周面32を有する。ローラ30の外周面32の径は、入力シャフト10から径方向外側へ離れるにつれて拡大する。上述したモータの駆動時には、入力シャフト10および腕部20とともに、ローラ30も、中心軸9を中心として入力回転数で回転する。
可動クラウンギア40は、中心軸9を中心として回転可能であり、かつ、可撓性を有する歯車である。可動クラウンギア40は、2つのローラ30よりも出力側に位置する。図1および図2に示すように、可動クラウンギア40は、薄板状の可撓円板部41と、複数の第1側面歯42とを有する。可撓円板部41は、出力シャフト50の入力側の端部から、径方向外側へ向けて拡がる。本実施形態の可撓円板部41は、中心軸9を中心として円錐状に拡がる。また、可撓円板部41は軸方向に弾性変形可能である。複数の第1側面歯42は、それぞれ、可撓円板部41から出力側(固定クラウンギア70側)へ向けて軸方向に突出する。複数の第1側面歯42は、中心軸9を中心として円環状に並ぶ。また、複数の第1側面歯42は、周方向に一定の間隔で並ぶ。可撓円板部41の周方向の一部分が軸方向に弾性変形すると、当該周方向の一部分に位置する第1側面歯42の位置も、軸方向に移動する。
本実施形態では、可動クラウンギア40の可撓円板部41が、中心軸9に対して斜めに拡がっている。ただし、可撓円板部41は、中心軸9に対して垂直に拡がっていてもよい。
出力シャフト50は、可動クラウンギア40の中央から出力側へ向けて、中心軸9に沿って延びる。出力シャフト50は、円筒状の外周面を有する。出力シャフト50は、ハウジング60の後述する出力孔620に挿入される。これにより、ハウジング60に対して出力シャフト50が、回転可能に支持される。可動クラウンギア40が中心軸9を中心として回転すると、出力シャフト50も、中心軸9を中心として回転する。本実施形態では、可動クラウンギア40と出力シャフト50とが、単一の部材となっている。ただし、可動クラウンギア40と出力シャフト50とを別部材として用意し、それらを互いに固定してもよい。
ハウジング60は、入力回転体81および出力回転体82を支持する筐体である。ハウジング60は、入力側壁部61、出力側壁部62、および周壁部63を有する。入力側壁部61は、2本の腕部20よりも入力側において、中心軸9に対して略垂直に拡がる。入力側壁部61の中央には、入力シャフト10を通すための入力孔610が設けられている。出力側壁部62は、可動クラウンギア40よりも出力側において、中心軸9に対して略垂直に拡がる。出力側壁部62の中央には、出力シャフト50を通すための出力孔620が設けられている。周壁部63は、入力側壁部61の外周部と、出力側壁部62の外周部との間で、軸方向に円筒状に延びる。周壁部63は、2本の腕部20、2つのローラ30、および可動クラウンギア40の径方向外側に位置する。
本実施形態では、出力側壁部62と周壁部63とが、1部材で構成されている。そして、出力側壁部62および周壁部63により構成されるカップ状の部材に対して、別部材の入力側壁部61が固定されている。ただし、入力側壁部61と周壁部63とが一部材で構成され、出力側壁部62が別部材であってもよい。また、入力側壁部61、出力側壁部62、および周壁部63が、全て別部材であってもよい。
図4は、図1および図2中のC−C位置から見たハウジング60の横断面図である。図1、図2、および図4に示すように、ハウジング60の出力側壁部62は、固定クラウンギア70を含んでいる。固定クラウンギア70は、固定円板部71と、複数の第2側面歯72とを有する。固定円板部71は、中心軸9に対して垂直に拡がっていてもよく、中心軸9に対して斜めに拡がっていてもよい。固定円板部71は、可撓円板部41に比べてはるかに可撓性が小さい。したがって、固定円板部71は、実質的に可撓性の無い剛体とみなせる。複数の第2側面歯72は、それぞれ、固定円板部71から入力側(可動クラウンギア40側)へ向けて軸方向に突出する。複数の第2側面歯72は、中心軸9を中心として円環状に並ぶ。また、複数の第2側面歯72は、周方向に一定の間隔で並ぶ。
図5は、減速機1の部分縦断面図である。図5中に実線で示したように、上述したローラ30は、可動クラウンギア40の可撓円板部41の入力側の面の周方向の一部分に接触する。これにより、複数の第1側面歯42のうちの一部の第1側面歯42が、ローラ30から受ける押圧によって、出力側に変位する。その結果、2つのローラ30の各々の出力側の位置において、可動クラウンギア40と固定クラウンギア70とが、互いに噛み合う。図5中に二点鎖線で示したように、周方向の他の位置では、可動クラウンギア40と固定クラウンギア70とは、互いに噛み合わない。このように、複数の第1側面歯42と、複数の第2側面歯72とは、周方向の特定の部分のみにおいて、互いに噛み合う。
減速機1の使用時には、入力シャフト10が、中心軸9を中心として、入力回転数で回転する。そうすると、入力シャフト10とともに、2本の腕部20および2つのローラ30も、中心軸9を中心として、入力回転数で回転する。2つのローラ30は、それぞれ、可動クラウンギア40との間の摩擦力によって、回転軸31を中心として自転しながら、中心軸9の周りを公転する。
2つのローラ30が公転すると、それに応じて、可動クラウンギア40の形状が変化する。すなわち、複数の第1側面歯42のうち、出力側へ変位する部分が、ローラ30の公転に追従して回転する。したがって、複数の第1側面歯42のうち、固定クラウンギア70の第2側面歯72と噛み合う部分が、中心軸9を中心として、入力回転数で周方向に変化する。
また、可動クラウンギア40の第1側面歯42の歯数と、固定クラウンギア70の第2側面歯72の歯数とは、僅かに相違する。この歯数の差によって、ローラ30が1回公転するごとに、固定クラウンギア70の同じ位置の第2側面歯72に噛み合う可動クラウンギア40の第1側面歯42の位置がずれる。これにより、固定クラウンギア70に対して可動クラウンギア40が、中心軸9を中心として、ゆっくりと回転する。その結果、可動クラウンギア40とともに出力シャフト50が、ゆっくりと回転する。このときの出力シャフト50の回転数は、入力回転数よりも低い出力回転数となる。
以上のように、この減速機1では、可動クラウンギア40にローラ30を接触させることで、可動クラウンギア40の周方向の一部分を軸方向に変形させる。ローラ30は、自転することによって、可動クラウンギア40に対して滑らかに移動可能である。したがって、ローラ30と可動クラウンギア40との間には、別途柔軟性を有する軸受を介在させる必要がない。これにより、減速機1の部品点数を抑えることができるとともに、減速機1を小型化できる。
また、本実施形態では、ローラ30と同一の周方向位置にのみ腕部20が存在し、他の周方向位置には腕部が存在しない。このため、可動クラウンギア40のうち、出力側への変位量が小さい部分が、腕部20と接触する心配がない。例えば、中心軸9を中心としてローラ30から90°離れた位置において、可動クラウンギア40と腕部20とが接触する心配がない。これにより、減速機1をより小型化できる。また、減速機1の駆動時の騒音を抑えることができる。
また、本実施形態では、ローラ30の姿勢が、中心軸9に対して傾斜している。具体的には、ローラ30の回転軸31が、軸方向および径方向に対して傾斜し、かつ、周方向に対して直交する方向に延びている。このようにすれば、ローラ30の外周面32のうち、可動クラウンギア40に接触する部分の径方向の周速差が、中心軸9に対する径方向の周速差と一致する。これにより、ローラ30と可動クラウンギア40との間の滑りが抑制される。その結果、減速機1におけるエネルギーロスを低減できる。
ここで、図5のように、ローラ30の回転軸31を径方向内側へ延長した仮想線を「第1仮想線V1」と称する。また、ローラ30の外周面32のうち、可動クラウンギア40との接触部を径方向内側へ延長した仮想線を「第2仮想線V2」と称する。本実施形態では、第1仮想線V1と第2仮想線V2とが、中心軸9上において交差する。このようにすれば、ローラ30と可動クラウンギア40との間の滑りが、より抑制される。その結果、減速機1におけるエネルギーロスを、より低減できる。
また、本実施形態では、2つのローラ30が、中心軸9の周囲において、180°間隔で配置されている。このように、複数のローラ30を周方向に等間隔に配置すれば、減速機1の動作時における重心の振れを抑制できる。なお、減速機1が有するローラ30の数は、3つ以上であってもよい。
また、図5のように、ローラ30の外周面32と、固定円板部71の入力側の面との間の軸方向の距離をd1とする。また、可撓円板部41および第1側面歯42の軸方向の合計寸法をd2とする。本実施形態では、距離d1は、寸法d2よりも大きい。このようにすれば、可動クラウンギア40と固定クラウンギア70とが噛み合う位置において、第1側面歯42と第2側面歯72との間に周方向の間隙(バックラッシュ)を確保できる。これにより、複数の第1側面歯42と複数の第2側面歯72とを、滑らかに噛み合わせることができる。その結果、減速機1の動作時の騒音を、より抑制できる。
ローラ30の回転軸31を中心とする外径は、小さすぎると、第2側面歯72に対する第1側面歯42の噛み合う歯数が少なくなる。このため、第2側面歯72に対する第1側面歯42の噛み合いが不安定となる。一方、ローラ30の回転軸31を中心とする外径が大きすぎると、減速機1の小型化が困難となる。このため、ローラ30は、適度な外径を有していることが好ましい。ローラ30の回転軸31を中心とする外径は、可動クラウンギア40の中心軸9を中心とする外径の、1/10倍以上かつ1/2倍以下とすることが好ましい。
減速機1を構成する各部材の材料には、例えば、鉄などの金属が用いられる。ただし、一部の部材または全部の部材を、樹脂製としてもよい。樹脂を用いれば、金属を用いる場合よりも、減速機1を軽量化できる。例えば、可動クラウンギア40および固定クラウンギア70の少なくとも一方を、樹脂製としてもよい。これらのクラウンギア40,70は、側面歯が軸方向に突出する。このため、軸方向に組み合わせる金型を用いた射出成形によって、クラウンギア40,70を容易に製造できる。特に、可動クラウンギア40を樹脂製にすれば、可撓円板部41の可撓性を得やすい。
<2.変形例>
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態には限定されない。
図6は、一変形例に係る減速機1Aの縦断面図である。図6の例では、減速機1Aの中央に、中空シャフト80Aが設けられている。中空シャフト80Aは、円筒状の部材であり、中心軸9Aに沿って配置される。入力シャフト10Aの内周面と、中空シャフト80Aの外周面との間には、軸受12Aが介在する。したがって、入力シャフト10Aと中空シャフト80Aとは、中心軸9Aを中心として、互いに相対回転可能である。軸受12Aには、例えばすべり軸受が用いられる。また、中空シャフト80Aは、出力シャフト50Aに、ねじ51Aによって固定されている。このため、中空シャフト80Aは、出力シャフト50Aとともに、中心軸9Aを中心として、出力回転数で回転する。
腕部20A、ローラ30A、可動クラウンギア40A、ハウジング60A、および固定クラウンギア70Aの構造は、上記の実施形態と同等である。この減速機1Aは、入力シャフト10Aおよび出力シャフト50Aよりも径方向外側のみにおいて、動力の伝達が行われる。このため、この図6の例のように、入力シャフト10Aおよび出力シャフト50Aの径方向内側に、中空シャフト80Aを配置することができる。このようにすれば、中空シャフト80Aの径方向内側の空間を有効に利用できる。例えば、中空シャフト80の内側に、減速機を支持するための支持シャフト90Aを通すことができる。あるいは、減速機1Aが搭載される装置の電気配線を、中空シャフト80Aの内側に通すこともできる。
特に、図6の例では、中空シャフト80Aが、入力シャフト10Aではなく、出力シャフト50Aに固定されている。このようにすれば、中空シャフト80Aの回転数が、入力回転数よりも低い出力回転数となる。したがって、中空シャフト80Aの回転数を抑えることができる。これにより、中空シャフト80Aの径方向内側の空間を、より利用しやすくなる。
また、減速機の細部の形状については、本願の各図に示された形状と相違していてもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。
本発明は、減速機に利用できる。
1,1A 減速機
9,9A 中心軸
10,10A 入力シャフト
11 軸受
12A 軸受
20,20A 腕部
30,30A ローラ
31 回転軸
32 外周面
40,40A 可動クラウンギア
41 可撓円板部
42 第1側面歯
50,50A 出力シャフト
60,60A ハウジング
61 入力側壁部
62 出力側壁部
63 周壁部
70,70A 固定クラウンギア
71 固定円板部
72 第2側面歯
80A 中空シャフト
81 入力回転体
82 出力回転体
610 入力孔
620 出力孔
V1 第1仮想線
V2 第2仮想線

Claims (11)

  1. 入力回転数の回転運動を、前記入力回転数よりも低い出力回転数の回転運動に変換する減速機であって、
    中心軸を中心として、前記入力回転数で回転する入力回転体と、
    前記中心軸を中心として、前記出力回転数で回転する出力回転体と、
    前記入力回転体および前記出力回転体を支持するハウジングと、
    を備え、
    前記入力回転体は、
    入力シャフトと、
    前記入力シャフトから径方向外側へ向けて延びる腕部と、
    前記腕部に支持された回転軸を中心として回転するローラと、
    を含み、
    前記出力回転体は、
    前記中心軸に対して垂直または斜めに拡がるとともに、可撓性を有し、前記中心軸を中心として円環状に並ぶ複数の第1側面歯を有する可動クラウンギアと、
    前記可動クラウンギアの中央から前記中心軸に沿って延びる出力シャフトと、
    を含み、
    前記ハウジングは、
    前記中心軸に対して垂直または斜めに拡がり、前記中心軸を中心として円環状に並ぶ複数の第2側面歯を有する固定クラウンギア
    を含み、
    前記可動クラウンギアの前記第1側面歯の歯数と、前記固定クラウンギアの前記第2側面歯の歯数とが、相違し、
    前記可動クラウンギアの周方向の一部分に、前記ローラが接触し、前記ローラから受ける押圧によって、前記固定クラウンギアと前記可動クラウンギアとが部分的に噛み合い、
    前記入力回転体の回転に伴い、前記可動クラウンギアと前記固定クラウンギアとの噛み合う位置が、前記中心軸を中心として、前記入力回転数で周方向に変化し、
    前記第1側面歯と前記第2側面歯との歯数の差によって、前記固定クラウンギアに対して前記可動クラウンギアが、前記出力回転数で回転する減速機。
  2. 請求項1に記載の減速機であって、
    前記可動クラウンギアは、前記中心軸を中心として円錐状に拡がる減速機。
  3. 請求項1または請求項2に記載の減速機であって、
    前記ローラの前記回転軸は、前記中心軸に対する周方向に対して直交する方向に延びる減速機。
  4. 請求項3に記載の減速機であって、
    前記ローラの前記回転軸を径方向内側へ延長した第1仮想線と、
    前記ローラの外周面のうち、前記可動クラウンギアとの接触部を径方向内側へ延長した第2仮想線とが、
    前記中心軸上において交差する減速機。
  5. 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の減速機であって、
    前記入力回転体は、複数の前記ローラを有し、
    複数の前記ローラは、前記中心軸の周囲において、周方向に等間隔に配置されている減速機。
  6. 請求項5に記載の減速機であって、
    前記入力回転体は、2つの前記ローラを有し、
    2つの前記ローラは、前記中心軸の周囲において、180°間隔で配置されている減速機。
  7. 請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の減速機であって、
    前記可動クラウンギアと前記固定クラウンギアとが噛み合う位置で、
    前記第1側面歯と前記第2側面歯との間に、周方向に間隙が存在する減速機。
  8. 請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載の減速機であって、
    前記ローラの前記回転軸を中心とする外径は、前記可動クラウンギアの前記中心軸を中心とする外径の、1/10倍以上かつ1/2倍以下である減速機。
  9. 請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の減速機であって、
    前記可動クラウンギアおよび前記固定クラウンギアの少なくとも一方は、樹脂製である減速機。
  10. 請求項9に記載の減速機であって、
    少なくとも前記可動クラウンギアは樹脂製である減速機。
  11. 請求項1から請求項10までのいずれか1項に記載の減速機であって、
    前記出力回転体は、前記可動クラウンギアと前記出力シャフトとを含む単一の部材である減速機。
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