JP2019056444A - 変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】偏心揺動型の減速機のバックラッシを小さくする。【解決手段】第１回転部と、第１回転部とともに回転し、中心軸から外周面までの距離が周方向の位置によって異なる第１偏心体２１と、前記第１偏心体の外周面に設けられた第１軸受７１と、軸方向に貫通する第１貫通孔を有し、前記第１軸受の外周面に設けられた第１外歯歯車３１と、中心軸を周方向に囲む円筒状であって、第１外歯歯車の径方向外側に配置された内歯４１と、第１貫通孔に挿入された、軸方向に延びる円柱状のキャリアピン５０と、キャリアピンが固定され、前記中心軸を中心として回転する第２回転部を備え、前記第１外歯歯車の歯数と、前記内歯の歯数とは相違し、前記内歯歯車には、前記第１外歯歯車の中心軸から最も遠い外歯が、噛み合い、前記第１外歯歯車の外歯それぞれの歯先は、軸方向において、両端部から中央部に向かって凸状に湾曲した曲面を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、変速機に関する。

特開２０１４−１６０１９号公報には、偏心揺動減速機構が記載されている。当該公報の減速機構は、四輪駆動車において、電動モータのモータ回転力を、一対の後輪に伝達するモータ回転力伝達装置に備えられている。減速機構は、内歯歯車と、内歯歯車の内側に配置された外歯歯車とを有する。外歯歯車は、内歯歯車と噛み合いながら、内歯歯車の内面に沿って揺動する。このような偏心揺動型の減速機構は、小型で高い減速比を得ることができる。
特開２０１４−１６０１９号公報 特開２０１２―００７７号公報

ところで、近年、人と協調して作業を行う小型ロボットの需要が高まっている。そして、上述した偏心揺動型の減速機とモータとを組み合わせたアクチュエータを、小型ロボットの関節に用いることが提案されている。ただし、この種の小型ロボットには、滑らかな動作が求められる。このために、外歯と内歯との間の隙間または軸受と外歯との間の隙間、シャフトと軸受との間の隙間等（バックラッシ）を小さくすることが望まれる。バックラッシを小さくすると、逆回転時において、寸法のズレ、衝撃等の発生により生じる歯車間の摩耗を抑制できるため機械寿命を長くすることができる。特開２０１２―００７７号公報では、バックラッシを小さくするために、外歯の歯幅を調整している。しかしながら、外歯または内歯の歯幅を調整することは、加工が難しく、生産性が低下するおそれがある。

そこで、変速機において、外歯歯車の外歯の歯丈を調整することで、バックラッシを小さくできることを、本発明者は見出した。

上記課題を解決するため、本願の発明は、偏心揺動型の変速機であって、中心軸を中心として回転する第１回転部と、前記第１回転部とともに回転し、前記中心軸から外周面までの距離が周方向の位置によって異なる第１偏心体と、前記第１偏心体の外周面に設けられた第１軸受と、軸方向に貫通する第１貫通孔を有し、前記第１軸受の外周面に設けられた第１外歯歯車と、前記中心軸を周方向に囲む円筒状であって、前記第１外歯歯車の径方向外側に配置された内歯歯車と、前記第１貫通孔に挿入された、軸方向に延びる円柱状のキャリアピンと、前記複数のキャリアピンが固定され、前記中心軸を中心として回転する第２回転部と、を備え、前記第１外歯歯車の歯数と、前記内歯歯車の歯数とは相違し、前記内歯歯車には、前記第１外歯歯車の前記中心軸から最も遠い位置の外歯が、噛み合い、前記第１外歯歯車の外歯それぞれの歯先は、軸方向において、両端部から中央部に向かって凸状に湾曲した曲面を有する。

本願によれば、バックラッシを小さくできる。

図１は、実施形態の変速機の縦断面図である。 図２は、変速機の分解斜視図である。 図３は、図１中のIII−III線の横断面図である。 図４は、第１外歯歯車の一部を拡大した斜視図である。 図５は、中心軸を含む第１外歯歯車の外歯の断面図である。 図６は、バックラッシを計測したシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、変速機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。また、本願では、軸方向を上下方向とし、第１回転部に対して第２回転部の第１キャリア部材側を上として、各部の形状および位置関係を説明する。ただし、この上下方向の定義により、本願に係る変速機の使用時の向きを限定する意図はない。また、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。

＜１．変速機の全体構成＞
図１は、本実施形態の変速機の縦断面図である。図２は、変速機１の分解斜視図である。図３は、図１中のIII−III線の横断面図である。なお、図３においては、図の煩雑化を避けるため、ハッチングは省略する。

変速機１は、第１回転数（入力回転数）の回転運動を、第１回転数よりも低い第２回転数（出力回転数）の回転運動に変換する、歯車減速機である。変速機１は、例えば、人と協調して作業を行うサービスロボット等の小型ロボットの関節に使用される。ただし、同等の構造を有する変速機を、大型の産業用ロボット、工作機、Ｘ−Ｙテーブル、材料の切断装置、コンベアライン、ターンテーブル、圧延ローラ等の他の用途に用いてもよい。

変速機１は、第１回転部１０と、第１偏心体２１および第２偏心体２２と、第１外歯歯車３１および第２外歯歯車３２と、フレーム４０と、複数のキャリアピン５０と、第２回転部６０と、を備える。

第１回転部１０は、中心軸９に沿って上下に延びる円柱状の部材である。図１中に概念的に示したように、第１回転部１０は、直接または他の動力伝達機構を介して、駆動源であるモータに接続される。モータを駆動させると、モータから供給される動力によって、第１回転部１０は、中心軸９を中心として、第１回転数で回転する。すなわち、本実施形態では、第１回転部１０は入力部である。

第１偏心体２１は、第１回転部１０の外周面に固定され、第１回転部１０とともに回転する部材である。第１回転部１０と第１偏心体２１とは、単一の部材でもよいし、別の部材でもよい。第１偏心体２１は、図３に示すように、軸方向から視て真円形の外周面を有する。第１偏心体２１の中心軸９１は、中心軸９から外れて位置する。したがって、中心軸９から第１偏心体２１の外周面までの距離は、周方向の位置によって異なる。

第２偏心体２２は、第１回転部１０の外周面に固定される。第２偏心体２２は、第１偏心体２１と軸方向に異なる位置に固定される。そして、第２偏心体２２は、第１回転部１０とともに回転する部材である。第１回転部１０と第２偏心体２２とは、単一の部材でもよいし、異なる別部材でもよい。第２偏心体２２は、第１偏心体２１と同様に、軸方向から視て真円形の外周面を有する。第２偏心体２２の中心軸９２は、中心軸９から外れて位置する。したがって、中心軸９から第２偏心体２２の外周面までの距離は、周方向の位置によって異なる。

また、第２偏心体２２の中心軸９２は、中心軸９に対して、第１偏心体２１の中心軸９１と、１８０°離れて位置する。つまり、第１偏心体２１と、第２偏心体２２とは、中心軸９を中心として、点対称の関係となる。

第１回転部１０が中心軸９を中心として回転すると、第１偏心体２１および第２偏心体２２は、中心軸９を中心として回転する。このとき、第１偏心体２１の中心軸９１、および第２偏心体２２の中心軸９２も、中心軸９を中心として回転する。また、前記したように、第１偏心体２１の中心軸９１と、第２偏心体２２の中心軸９２とは、中心軸９に対して、互いに１８０°離れて位置する。このため、第１偏心体２１および第２偏心体２２の全体としての重心の位置は、常に中心軸９上に位置する。したがって、第１偏心体２１および第２偏心体２２の回転による重心の揺らぎを抑制できる。

第１外歯歯車３１は、第１偏心体２１の径方向外側に配置される。第１偏心体２１と第１外歯歯車３１との間には、第１軸受７１が介在する。第１軸受７１には、例えば、ボールベアリングが用いられる。第１外歯歯車３１は、第１軸受７１によって、中心軸９１を中心として回転可能に支持される。図３に示すように、第１外歯歯車３１の外周部には、複数の外歯３１１が設けられる。各外歯３１１は、径方向外側へ向けて突出する。

図４は、第１外歯歯車３１の一部を拡大した斜視図である。図５は、中心軸９１を含む第１外歯歯車３１の外歯３１１の断面図である。

第１外歯歯車３１の外歯３１１それぞれの歯先は、曲面３１１Ａである。曲面３１１Ａは、径方向に交差する面である。曲面３１１Ａは、製造時において、外歯３１１における軸方向中央の歯丈の長さを確保しつつ、軸方向両端部を曲面状に加工することで形成される。このように形成することで、曲面３１１Ａは、軸方向において、両端部から中央部に向かって凸状に湾曲した面となる。本実施形態では、曲面３１１Ａの中心軸９１を含む断面は、円弧状である。この曲面３１１Ａの曲率半径は、外歯歯車の外径寸法ｄに対して、４．８倍以上８．９倍以下であることが好ましい。

第１外歯歯車３１は、複数（図３の例では１０個）の貫通孔３１２を有する。各貫通孔３１２は、第１外歯歯車３１を軸方向に貫通する。複数の貫通孔３１２は、中心軸９１を中心として、周方向に等間隔に並ぶ。

第２外歯歯車３２は、第２偏心体２２の径方向外側に配置される。第２偏心体２２と第２外歯歯車３２との間には、第２軸受７２が介在する。第２外歯歯車３２は、第２軸受７２によって、中心軸９２を中心として回転可能に支持される。第２軸受７２には、例えば、ボールベアリングが用いられる。第２外歯歯車３２は、第１外歯歯車３１と同様に、外周部に複数の外歯３２１が設けられる。外歯３２１の歯先は、第１外歯歯車３１の外歯３１１と同様、曲面である。また、第２外歯歯車３２には、軸方向に貫通した複数の貫通孔３２２が設けられる。複数の貫通孔３２２は、中心軸９２を中心として、周方向に沿って等角度間隔に配置される。また、各貫通孔３２２の一部は、第１外歯歯車３１の各貫通孔３１２と、軸方向に重なる。

フレーム４０は、中心軸９を周方向に囲み、軸方向に延びる円筒状の部材である。フレーム４０は、第１外歯歯車３１および第２外歯歯車３２の径方向外側を取り囲んで配置される。図３に示すように、フレーム４０の内周面には、複数の内歯４１が設けられる。複数の内歯４１は、それぞれ、フレーム４０の内周面から径方向内側へ向けて突出する。本実施形態では、内歯４１を含む内歯歯車が、フレーム４０の一部となっている。ただし、内歯歯車は、フレーム４０と別部材としてもよい。本実施形態のように、内歯４１は、フレーム４０と同一部材とを同一部材とした場合、フレーム４０とは別に、内歯４１を有する内歯歯車を設ける必要がないため、変速機１の小型化が容易となる。

フレーム４０の複数の内歯４１の一部には、第１外歯歯車３１の複数の外歯３１１、および、第２外歯歯車３２の複数の外歯３２１それぞれの一部が噛み合う。具体的には、中心軸９からの距離が最も遠い位置にある、第１外歯歯車３１の外歯３１１、および、中心軸９からの距離が最も遠い位置にある、第２外歯歯車３２の外歯３２１が、内歯４１に噛み合う。つまり、第１外歯歯車３１の外歯３１１とフレーム４０の内歯４１との噛み合い位置と、第２外歯歯車３２の外歯３２１とフレーム４０の内歯４１との噛み合い位置とは、中心軸９を中心に、点対称である。

なお、前記のとおり、第１外歯歯車３１および第２外歯歯車３２は、同じ構成であり、中心軸９を中心に点対称の関係にある。したがって、以下の説明では、第１外歯歯車３１についてのみ説明する。

第１回転部１０が中心軸９を中心として回転すると、第１外歯歯車３１は、中心軸９１とともに、中心軸９の周りを公転する。また、第１外歯歯車３１が有する複数の外歯３１１の一部と、フレーム４０の内歯４１とが噛み合うことによって、第１外歯歯車３１は自転する。ここで、フレーム４０が有する内歯４１の数は、第１外歯歯車３１が有する外歯３１１の数よりも多い。このため、第１外歯歯車３１の１公転ごとに、フレーム４０の同じ位置の内歯４１に噛み合う外歯３１１の位置がずれる。これにより、第１外歯歯車３１が、第１回転部１０の回転方向とは逆の方向へ、第１回転数よりも低い第２回転数で自転する。したがって、第１外歯歯車３１の貫通孔３１２の位置も、第２回転数で回転する。変速機１の動作時には、第１外歯歯車３１が、このような公転と自転とを組み合わせた回転運動を行う。

第１外歯歯車３１が有する外歯３１１の数をＮとし、フレーム４０が有する内歯４１の数をＭとすると、変速機１の減速比Ｐは、Ｐ＝（第１回転数）／（第２回転数）＝Ｎ／（Ｍ−Ｎ）となる。図３の例では、Ｎ＝２９，Ｍ＝３０なので、この例における減速比は、Ｐ＝２９である。すなわち、第２回転数は、第１回転数の１／２９の回転数となる。ただし、外歯３１１の数Ｎおよび内歯４１の数Ｍは、他の値であってもよい。

本実施形態では、複数の内歯４１が、単一の部材であるフレーム４０の一部として、設けられる。このため、フレーム４０とは別に、複数の内歯４１を有する内歯歯車を設ける必要がない。これにより、変速機１の小型化が容易となる。

キャリアピン５０は、軸方向に延びる円柱状の部材である。複数のキャリアピン５０は、中心軸９を中心として、周方向に沿って等角度間隔に円環状に配置される。そして、キャリアピン５０は、軸方向に重なる、第１外歯歯車３１の貫通孔３１２、および、第２外歯歯車３２の貫通孔３２２に挿入される。前記のように、貫通孔３１２および貫通孔３２２は、減速後の第２回転数で回転する。貫通孔３１２および貫通孔３２２に挿入されたキャリアピン５０は、貫通孔３１２および貫通孔３２２とともに、中心軸９を中心として、第２回転数で回転する。

第２回転部６０は、円環状の第１キャリア部材６１と、円環状の第２キャリア部材６２とを有している。第１キャリア部材６１は、第１外歯歯車３１よりも軸方向の上方側に配置されている。第１回転部１０と第１キャリア部材６１との間には、軸受７３が介在している。また、第１キャリア部材６１とフレーム４０との間には、軸受７４が介在している。

第２キャリア部材６２は、第２外歯歯車３２よりも軸方向の下方側に配置されている。第１回転部１０と第２キャリア部材６２との間には、軸受７５が介在している。また、第２キャリア部材６２とフレーム４０との間には、軸受７６が介在している。軸受７３および軸受７５には、例えば、ボールベアリングが用いられる。軸受７４および軸受７６には、例えば、ポリアセタール等の樹脂からなるすべり軸受が用いられる。

各キャリアピン５０の軸方向の上側端部は、第１キャリア部材６１に固定される。各キャリアピン５０の軸方向の下側端部は、第２キャリア部材６２に固定される。なお、第１キャリア部材６１および第２キャリア部材６２に対するキャリアピン５０の固定方法には、例えば、圧入が用いられる。このため、複数のキャリアピン５０が、中心軸９を中心として第２回転数で回転すると、第１キャリア部材６１および第２キャリア部材６２も、中心軸９を中心として第２回転数で回転する。

第２回転部６０は、直接または他の動力伝達機構を介して、駆動対象となる部材に接続される。すなわち、本実施形態では、第２回転部６０は出力部である。

＜２．シミュレーションの例＞

上記のように構成された変速機１において、第１外歯歯車３１の外歯３１１、および第２外歯歯車３２の外歯３２１それぞれの歯先を曲面とすることで、変速機１のバックラッシは小さくなる。

以下に、シミュレーションソフトウェアにおいて、上記の変速機１と同等のモデルを作成し、バックラッシを計測したシミュレーション結果を示す。図６は、バックラッシを計測したシミュレーション結果を示す図である。図６の縦軸は、バックドライブトルクを示し、横軸は、バックラッシを示す。図６では、第１回転部１０を固定したときの第２回転部６０の回転方向の可動角度範囲を「バックラッシ」として計測している。

バックドライブトルクは、出力部である第２回転部６０を外力で回転させたときの、抵抗の大きさである。バックドライブトルクが小さいと、第２回転部６０の回転抵抗が小さく、回転ロスが少なくなる。つまり、バックドライバビリティが向上する。

シミュレーションでは、第１外歯歯車３１の外歯３１１、および第２外歯歯車３２の外歯３２１それぞれの歯先を曲面とし、曲率半径を変えている。図６の白丸マークは、外歯の歯先を曲面としない外歯歯車を用いたシミュレーション結果である。クロスマークは、外歯の歯先を、曲率半径を外歯歯車の外径寸法ｄに対して、３．６倍とした曲面とした外歯歯車を用いたシミュレーション結果である。四角マークは、外歯の歯先を、曲率半径を外歯歯車の外径寸法ｄに対して、６倍とした曲面とした外歯歯車を用いたシミュレーション結果である。三角マークは、外歯の歯先を、曲率半径を外歯歯車の外径寸法ｄに対して、１２倍とした曲面とした外歯歯車を用いたシミュレーション結果である。なお、外歯３１１、３２１の歯先形状以外の条件は、同一としている。

前記のように、曲面３１１Ａの曲率半径は、第１外歯歯車の外径寸法ｄに対して、４．８倍以上８．９倍以下であることが好ましい。図６からわかるように、曲率半径が、前記範囲にある外歯歯車の外径寸法ｄに対して、６倍の場合のバックラッシは、他よりも小さい。

以上のように、第１外歯歯車３１の外歯３１１、および、第２外歯歯車３２の外歯３２１それぞれの歯先を曲面とすることで、バックラッシを小さくできる。

なお、変速機１は、上記した構成に限定されない。例えば、上記の実施形態では、第１外歯歯車３１の外歯３１１、および、第２外歯歯車３２の外歯３２１それぞれの歯先を曲面としたが、一方の歯先のみが曲面であってもよい。また、変速機１は、第１外歯歯車３１と、第２外歯歯車３２とを備えるが、いずれか一方のみを備える構成でもよい。また、３つ以上の外歯歯車を備える構成でもよい。また、外歯歯車の外歯の数、および、内歯歯車の内歯の数は、適宜変更可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述の実施形態および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。

本願は、変速機に利用できる。

１ ：変速機
９ ：中心軸
１０ ：第１回転部
２１ ：第１偏心体
２２ ：第２偏心体
３１ ：第１外歯歯車
３２ ：第２外歯歯車
４０ ：フレーム
４１ ：内歯
５０ ：キャリアピン
６０ ：第２回転部
６１ ：第１キャリア部材
６２ ：第２キャリア部材
７１ ：第１軸受
７２ ：第２軸受
７３ ：軸受
７４ ：軸受
７５ ：軸受
７６ ：軸受
９１ ：中心軸
９２ ：中心軸
３１１ ：外歯
３１１Ａ ：曲面
３１２ ：貫通孔
３２１ ：外歯
３２２ ：貫通孔

Claims (9)

1. 偏心揺動型の変速機であって、
   中心軸を中心として回転する第１回転部と、
   前記第１回転部とともに回転し、前記中心軸から外周面までの距離が周方向の位置によって異なる第１偏心体と、
   前記第１偏心体の外周面に設けられた第１軸受と、
   軸方向に貫通する第１貫通孔を有し、前記第１軸受の外周面に設けられた第１外歯歯車と、
   前記中心軸を周方向に囲む円筒状であって、前記第１外歯歯車の径方向外側に配置された内歯歯車と、
   前記第１貫通孔に挿入された、軸方向に延びる円柱状のキャリアピンと、
   前記複数のキャリアピンが固定され、前記中心軸を中心として回転する第２回転部と、
   を備え、
   前記第１外歯歯車の歯数と、前記内歯歯車の歯数とは相違し、
   前記内歯歯車には、前記第１外歯歯車の前記中心軸から最も遠い位置の外歯が、噛み合い、
   前記第１外歯歯車の外歯それぞれの歯先は、軸方向において、両端部から中央部に向かって凸状に湾曲した曲面を有する、
   変速機。
2. 請求項１に記載の変速機であって、
   前記曲面の前記中心軸を含む断面は、円弧状である、
   変速機。
3. 請求項１または請求項２に記載の変速機であって、
   前記曲面は、曲率半径が前記第１外歯歯車の外径寸法に対して、４．８倍以上８．９倍以下である、
   変速機。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の変速機であって、
   前記第１偏心体は、
   軸方向から視て真円形であり、前記真円の中心が、前記中心軸から外れて位置している、
   変速機。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の変速機であって、
   前記第１回転部とともに回転し、前記中心軸から外周面までの距離が周方向の位置によって異なり、軸方向において前記第１偏心体と異なる位置に配置された第２偏心体と、
   前記第２偏心体の外周面に設けられた第２軸受と、
   軸方向に貫通する第２貫通孔と、前記第１外歯歯車と同じ歯数の外歯とを有し、前記第２軸受の外周面に設けられた第２外歯歯車と、
   をさらに備え、
   前記第１貫通孔と、前記第２貫通孔とは、軸方向に重なり、
   前記キャリアピンは、前記第１貫通孔および前記第２貫通孔に挿入され、
   前記内歯歯車は、軸方向に延び、前記第１外歯歯車および前記第２外歯歯車と径方向に対向し、
   前記内歯歯車には、前記第２外歯歯車の前記中心軸から最も遠い位置の外歯が、噛み合う、
   変速機。
6. 請求項５に記載の変速機であって、
   前記第２外歯歯車の外歯それぞれの歯先は、軸方向において、両端部から中央部に向かって凸状に湾曲した曲面を有する、
   変速機。
7. 請求項５または請求項６に記載の変速機であって、
   前記第２偏心体は、
   軸方向から視て真円形であり、前記真円の中心が、前記中心軸から外れて位置している、
   変速機。
8. 請求項５から請求項７までのいずれか１つに記載の変速機であって、
   前記内歯歯車と前記第１外歯歯車との噛み合い位置と、前記内歯歯車と前記第２外歯歯車との噛み合い位置とは、前記中心軸を中心に、点対称である、
   変速機。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の変速機であって、
   前記第１回転部は、モータから得られる動力により第１回転数で回転する入力部であり、
   前記第２回転部は、前記第１回転数よりも低い第２回転数で回転する出力部である、
   変速機。

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