JP2020051541A

JP2020051541A - 歯車減速機

Info

Publication number: JP2020051541A
Application number: JP2018182276A
Authority: JP
Inventors: 聖基早田; Seiki Hayata
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02

Abstract

【課題】小型でフレクスプラインの設計自由度を向上し、かつ減速効率を向上できる歯車減速機を提供する。【解決手段】歯車減速機１０は、内歯１１を有するインターナルギヤ１と、前記インターナルギヤ１の前記内歯１１に噛合する外歯２５を有し、径方向に弾性変形可能なフレクスプライン２と、前記フレクスプライン２の内周を転動する転動部４５及び、前記インターナルギヤ１に噛合するギヤ部４３を有する複数のプラネタリギヤ４と、前記複数のプラネタリギヤ４を回転自在に支持するプラネタリキャリア３と、前記複数のプラネタリギヤ４に噛合するサンギヤ５と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、歯車減速機に関するものである。

従来、ロボット用のサーボモータに用いられる減速機として、高い減速比を有する波動歯車機構が採用されている。波動歯車機構は、内歯を有するインターナルギヤと、インターナルギヤの内歯に噛合する外歯を有し、径方向に弾性変形可能なフレクスプラインと、フレクスプラインの内周を摺動する略楕円状のウェーブジェネレータと、等を備えている。ここで、フレクスプラインとウェーブジェネレータとの摺動摩擦抵抗を低減するために、さまざまな技術が開示されている。

例えば特許文献１には、回転する半径方向に変形可能なフレクスプラインの内周面に沿って転動する遊星ローラと、遊星ローラと相対回転不能に構成されるとともにサンギヤに噛合される遊星歯車（プラネタリギヤ）と、を備えた波動歯車装置が開示されている。
特許文献１に記載の技術によれば、プラネタリギヤにより回転が伝達された遊星ローラがフレクスプラインの内周面を転動するので、遊星ローラとフレクスプラインとの間の摩擦損失及び遊星ローラがフレクスプラインの内周面を滑ることによる騒音の低減ができる。

特開２００４−１５６６４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来技術にあっては、プラネタリギヤよりも径の大きい遊星ローラがフレクスプラインの内周面を摺動するため、フレクスプラインの外形が大きくなるおそれがある。したがって、従来技術にあっては、小型でフレクスプラインの設計自由度を向上した歯車減速機の提供という課題があった。
また、特許文献１に記載の従来技術にあっては、遊星ローラがフレクスプラインの内周面に対して滑り、減速効率が低下してしまう可能性があった。

そこで、本発明は、小型でフレクスプラインの設計自由度を向上し、かつ減速効率を向上できる歯車減速機を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る歯車減速機は、内歯を有するインターナルギヤと、前記インターナルギヤの前記内歯に噛合する外歯を有し、径方向に弾性変形可能なフレクスプラインと、前記フレクスプラインの内周を転動する転動部及び、前記インターナルギヤに噛合するギヤ部を有する複数のプラネタリギヤと、前記複数のプラネタリギヤを回転自在に支持するプラネタリキャリアと、前記複数のプラネタリギヤに噛合するサンギヤと、を備えることを特徴としている。

このように構成することで、プラネタリギヤが直接フレクスプラインに当接するので、フレクスプラインの外形を小型化できる。また、遊星ローラが不要となるので、部品点数を削減できる。プラネタリギヤはインターナルギヤとフレクスプラインとの両方に噛合するので、プラネタリギヤは、サンギヤを中心として、サンギヤとインターナルギヤとの間を滑らかに公転する。これにより、転動部とフレクスプラインとの摺動抵抗を低減し、歯車減速機の摩擦損失を低減できる。
さらに、プラネタリギヤによる減速と、フレクスプラインによる減速と、の２つの減速機構を有するので、フレクスプラインのみにより減速を得る方法と比較して、より高い減速比を得ることができる。これにより、小型であっても高い減速比に設定することができるので、フレクスプラインの設計自由度を向上できる。
したがって、小型でフレクスプラインの設計自由度を向上した歯車減速機を提供できる。

本発明に係る歯車減速機において、前記転動部と、前記ギヤ部と、は一体化されていることを特徴としている。

このように構成することで、プラネタリギヤがインターナルギヤに噛合して回転すると、ギヤ部と転動部とが同時に回転する。これにより、フレクスプラインの内周面との摩擦ではなくギヤ部の噛合により転動部が回転するので、フレクスプラインの内周面における摩擦損失が低減できる。このように、フレクスプラインに対して転動部が確実に回転するので、歯車減速機の減速効率を確実に向上できる。

本発明に係る歯車減速機において、前記ギヤ部と、前記フレクスプラインの前記外歯と、は前記インターナルギヤにおける同列の前記内歯に噛合することを特徴としている。

このように構成することで、プラネタリギヤのギヤ部とフレクスプラインが噛合する歯を共通にできるので、部品点数を削減できる。また、プラネタリギヤは、フレクスプラインが噛合するインターナルギヤに噛合してフレクスプラインの内周面を公転するので、滑りが抑制され、確実な減速比を得ることができる。

本発明によれば、プラネタリギヤが直接フレクスプラインに噛合するので、フレクスプラインの外形を小型化できる。また、遊星ローラが不要となるので、部品点数を削減できる。プラネタリギヤはインターナルギヤとフレクスプラインとの両方に噛合するので、プラネタリギヤは、サンギヤを中心として、サンギヤとインターナルギヤとの間を滑らかに公転する。これにより、転動部とフレクスプラインとの摺動抵抗を低減し、歯車減速機の摩擦損失を低減できる。
さらに、プラネタリギヤによる減速と、フレクスプラインによる減速と、の２つの減速機構を有するので、フレクスプラインのみにより減速を得る方法と比較して、より高い減速比を得ることができる。これにより、小型であっても高い減速比に設定することができるので、フレクスプラインの設計自由度を向上できる。
また、フレクスプラインに対して転動部が確実に回転するので、歯車減速機の減速効率を確実に向上できる。
したがって、小型でフレクスプラインの設計自由度を向上し、かつ減速効率を向上できる歯車減速機を提供できる。

第１実施形態に係る歯車減速機の断面図。図１のＩＩ−ＩＩ断面図。第１実施形態に係る歯車減速機の分解図。第２実施形態に係る歯車減速機の図１のＩＶ−ＩＶ断面図。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、歯車減速機１０の断面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。図３は、歯車減速機１０の分解図である。
図１から図３に示すように、歯車減速機１０は、図示しないロボット用のサーボモータの減速機として使用される。歯車減速機１０は、楕円と真円の差動を利用して高い減速比が得られる、所謂波動歯車である。
歯車減速機１０は、外郭を形成する波動歯車機構８と、波動歯車機構８の内部に収容される遊星歯車機構９と、を備える。

（波動歯車機構）
波動歯車機構８は、略有底筒状のインターナルギヤ１と、インターナルギヤ１内に収納されインターナルギヤ１に噛合するフレクスプライン２と、を備える。

（インターナルギヤ）
インターナルギヤ１は、軸線Ｃを中心とした円筒部１ａと、円筒部１ａの一端を閉塞する底部１ｂと、からなる有底円筒状に形成されている。以下の説明において、インターナルギヤ１の軸線Ｃに沿う方向を軸方向といい、軸線Ｃ回りの方向を周方向といい、軸線Ｃ、及び周方向に直交する方向を径方向という場合がある。
インターナルギヤ１の円筒部１ａの内周面には、内歯１１が形成されている。内歯１１は、円筒部１ａの内周面全体に亘って形成されている。円筒部１ａの軸方向一方側（図１の上方側）は開口されている。底部１ｂは、円筒部１ａの軸方向他方側（図１の下方側）に設けられている。底部１ｂには、入力軸挿通孔１５と、凹部１６と、が設けられている。

入力軸挿通孔１５は、底部１ｂを軸方向に貫通している。入力軸挿通孔１５は、軸線Ｃと同軸となるように形成されている。凹部１６は、底部１ｂのうちインターナルギヤ１の内部を向く面から反対側の面に向かって凹んでいる。凹部１６は、軸方向から見て軸線Ｃと同軸の円形状に形成されている。凹部１６の直径は、入力軸挿通孔１５の直径よりも大きい。凹部１６には、後述の軸本体５１を回転自在に支持するためのベアリング６が収容されている。ベアリング６の外径部は、凹部１６に固定されている。ベアリング６の内径部は、後述のサンギヤ５の軸本体５１に固定されている。

（フレクスプライン）
フレクスプライン２は、インターナルギヤ１の開口側に設けられ、インターナルギヤ１の内部に収容されている。フレクスプライン２は、弾性変形可能に構成されている。フレクスプライン２は、軸線Ｃを中心とした円筒部２ａと、円筒部２ａの一端を閉塞する底部２ｂと、からなる有底円筒状に形成されている。そして、フレクスプライン２の開口と、インターナルギヤ１の開口と、は互いに向かい合うように配置されている。

円筒部２ａは、インターナルギヤ１の円筒部１ａの径方向内側に配置されている。円筒部２ａの外周部には、外歯２５が形成されている。図２に示すように、外歯２５と、インターナルギヤ１の内歯１１と、は一部が噛合している。円筒部２ａは、後述するプラネタリギヤ４に内側から押圧されることにより、径方向に弾性変形可能に構成されている。換言すれば、外歯２５は、円筒部２ａが径方向外側に弾性変形した部分において、インターナルギヤ１の内歯１１に噛合している。外歯２５の歯数は、内歯１１の歯数と２枚差となるように設けられている。本実施形態において、外歯２５の歯数は、内歯１１の歯数よりも２枚少ない。

図１及び図３に示すように、底部２ｂは、円筒部２ａのうちインターナルギヤ１とは反対側の端部に設けられている。底部２ｂは、円筒部２ａの端部を閉塞している。底部２ｂのうちインターナルギヤ１側を向く面には、支持凹部２７が設けられている。支持凹部２７は、インターナルギヤ１の反対側に向かって凹んでいる。支持凹部２７は、軸方向から見て軸線Ｃと同軸の円形状に形成されている。

底部２ｂのうちインターナルギヤ１の反対側を向く面には、出力軸２２が設けられている。出力軸２２は、底部２ｂからインターナルギヤ１の反対側に向かって突出している。出力軸２２は、軸方向から見て軸線Ｃと同軸の円形状に形成されている。出力軸２２には図示しない外部の電装品等が接続され、出力軸２２が回転することによりそれらの電装品が駆動する。

（遊星歯車機構）
遊星歯車機構９は、波動歯車機構８の内部に収容されている。遊星歯車機構９は、フレクスプライン２の支持凹部２７に回転自在に支持されるプラネタリキャリア３と、プラネタリキャリア３に支持されるとともにインターナルギヤ１に噛合するプラネタリギヤ４と、プラネタリギヤ４に噛合するサンギヤ５と、を備える。

（プラネタリキャリア）
プラネタリキャリア３は、フレクスプライン２の内部に配置されている。プラネタリキャリア３は、フレクスプライン２の内部を径方向に延びる架渡部３３と、架渡部３３の両端に設けられる一対の自転軸３５と、を有する。

架渡部３３は、径方向に沿って延びる棒状に形成されている。架渡部３３には、径方向の中間部分に、被支持部３４が設けられている。被支持部３４は、架渡部３３からフレクスプライン２の底部２ｂ側へ向かって突出している。被支持部３４は、フレクスプライン２の支持凹部２７に係合している。被支持部３４は、支持凹部２７に対して軸線Ｃ回りに回転可能に支持されている。

自転軸３５は、架渡部３３の径方向の両端部に設けられている。すなわち、プラネタリキャリア３は、一対の自転軸３５を有する。自転軸３５は、架渡部３３の端部から被支持部３４とは反対側（すなわち、インターナルギヤ１側）に突出している。
このようにプラネタリキャリア３は、被支持部３４が支持凹部２７に対して回転することにより、一対の自転軸３５が軸線Ｃ回りを公転するように構成されている。

（プラネタリギヤ）
プラネタリギヤ４は、波動歯車機構８の内部において複数（本実施形態においては２個）設けられている。各プラネタリギヤ４は、プラネタリキャリア３の一対の自転軸３５にそれぞれ回転可能に支持されている。プラネタリギヤ４は、中央に貫通孔４１を有する円筒状に形成されている。貫通孔４１にプラネタリキャリア３の自転軸３５が挿入されることにより、プラネタリギヤ４は、自転軸３５回りを自転するとともに、プラネタリキャリア３の回転に伴って軸線Ｃ回りを公転する。
プラネタリギヤ４は、インターナルギヤ１側の端部に設けられたギヤ部４３と、ギヤ部４３のフレクスプライン２側に設けられた転動部４５と、を有する。

ギヤ部４３は、プラネタリギヤ４の外周部に形成されている。ギヤ部４３は、インターナルギヤ１の内歯１１に噛合している。ギヤ部４３と、フレクスプライン２の外歯２５と、はインターナルギヤ１における同列の内歯１１に噛合している。

転動部４５の外形は、ギヤ部４３の外形よりも小さい。転動部４５は、フレクスプライン２における円筒部２ａの内周面に接触している。転動部４５は、フレクスプライン２における円筒部２ａの内周を転動する。プラネタリギヤ４がプラネタリキャリア３に取り付けられた状態において、一対の転動部４５のうち径方向の最外径側に位置する部分を繋ぐ直線の長さＬ１（図２参照）は、弾性変形前（無負荷状態）のフレクスプライン２における円筒部２ａ内側の直径よりも大きい。これにより、転動部４５は、フレクスプライン２の円筒部２ａを径方向外側に押し広げながら円筒部２ａの内周を転動する。
ギヤ部４３と、転動部４５と、は一体化されている。

（サンギヤ）
サンギヤ５は、インターナルギヤ１の入力軸挿通孔１５及びベアリング６の内部に挿入されている。サンギヤ５は、軸線Ｃと同軸に配置されている。サンギヤ５は、インターナルギヤ１に支持される軸本体５１と、軸本体５１に連結されインターナルギヤ１の内部に位置する入力軸ギヤ部５２と、を有する。

軸本体５１は、インターナルギヤ１の底部１ｂを軸方向に貫通している。軸本体５１は、ベアリング６の内径部に固定されている。軸本体５１は、入力軸挿通孔１５に対して回転可能に遊挿されている。軸本体５１の軸方向における一方側の端部は、インターナルギヤ１の内部に突出している。軸本体５１の軸方向における他方側の端部は、インターナルギヤ１の底部１ｂよりも外側に突出している。軸本体５１のうちインターナルギヤ１の底部１ｂよりも外側に突出した部分には、モータ（不図示）等の動力源が接続されている。

入力軸ギヤ部５２は、軸本体５１のうちインターナルギヤ１の内部に突出した部分の端部に設けられている。入力軸ギヤ部５２の外径は、軸本体５１の外径よりも大きい。入力軸ギヤ部５２は、径方向において一対のプラネタリギヤ４の間に配置され、各ギヤ部４３に噛合している。

（歯車減速機の作用、効果）
次に、図１〜図３に基づいて、歯車減速機１０の作用、効果について説明する。
モータ等の動力源に接続されたサンギヤ５が回転（図２のＡ１参照）すると、サンギヤ５の入力軸ギヤ部５２に噛合するプラネタリギヤ４に回転が伝わる。プラネタリギヤ４は入力軸ギヤ部５２及びインターナルギヤ１の内歯１１に噛合しているので、プラネタリギヤ４は、プラネタリキャリア３の自転軸３５を中心として自転（図２のＡ２参照）するとともに、軸線Ｃ回りに公転（図２のＡ３参照）する。

プラネタリギヤ４のギヤ部４３と一体化された転動部４５は、プラネタリギヤ４の公転運動に伴いフレクスプライン２の内周面上を転動する。ここで、一対の転動部４５のうち径方向の最外径側に位置する部分を繋ぐ直線の長さＬ１（図２参照）は、無負荷状態におけるフレクスプライン２の円筒部２ａ内側の直径よりも大きい。よって、プラネタリギヤ４が軸線Ｃ回りに公転することにより、転動部４５は、フレクスプライン２のうち転動部４５と接触する部分を径方向外側に押し広げながらフレクスプライン２の内周面上を転動する。これにより、押し広げられた部分の外歯２５と、インターナルギヤ１の内歯１１と、が噛合する。

外歯２５と内歯１１とが噛合する位置（噛合位置）は、プラネタリギヤ４の公転により漸次変化する。外歯２５の歯数は内歯１１の歯数よりも２枚分少ないので、噛合位置が周方向に漸次ずれることにより外歯２５と内歯１１との噛み合いがずれて、その差動分だけフレクスプライン２がインターナルギヤ１に対して回転する。具体的には、プラネタリギヤ４が１周公転すると、フレクスプライン２は、外歯の２歯分だけインターナルギヤ１に対して回転（図２のＡ４参照）する。

フレクスプライン２の回転は、出力軸２２を介して外部の装置に伝達される。このように、入力軸（サンギヤ５）と出力軸２２とが同軸かつ軸方向に所定の距離を有する一段同軸上で高い減速比を得ることができる。

本構成によれば、プラネタリギヤ４が遊星ローラ等を介さず直接フレクスプライン２に当接するので、フレクスプライン２の外形を小型化できる。また、従来技術に比べて遊星ローラが不要となるので、部品点数を削減できる。プラネタリギヤ４はインターナルギヤ１とフレクスプライン２との両方に噛合するので、プラネタリギヤ４は、サンギヤ５を中心として、サンギヤ５とインターナルギヤ１との間を滑らかに公転する。これにより、転動部４５とフレクスプライン２との摺動抵抗を低減し、歯車減速機１０の摩擦損失を低減できる。
さらに、プラネタリギヤ４による減速すなわち遊星歯車による減速と、フレクスプライン２による減速すなわち波動歯車による減速と、の２つの減速機構を有するので、フレクスプライン２のみにより減速を得る方法と比較して、より高い減速比を得ることができる。これにより、小型であっても高い減速比に設定することができるので、フレクスプライン２の設計自由度を向上できる。
したがって、小型でフレクスプライン２の設計自由度を向上した歯車減速機１０を提供できる。

本構成によれば、転動部４５とギヤ部４３とは一体化されているので、プラネタリギヤ４がインターナルギヤ１に噛合して回転すると、ギヤ部４３と転動部４５とが同時に回転する。これにより、フレクスプライン２の内周面との摩擦ではなくギヤ部４３の噛合により転動部４５が回転するので、フレクスプライン２の内周面における摩擦損失が低減できる。このように、フレクスプライン２に対して転動部４５が確実に回転するので、歯車減速機１０の減速効率を向上できる。

本構成によれば、ギヤ部４３とフレクスプライン２の外歯２５とはインターナルギヤ１における同列の内歯１１に噛合するので、プラネタリギヤ４のギヤ部４３とフレクスプライン２が噛合する歯を共通化できる。これにより、歯車減速機１０の構成を簡素化し、部品点数を削減できる。また、プラネタリギヤ４は、フレクスプライン２が噛合するインターナルギヤ１に噛合してフレクスプライン２の内周面を公転するので、滑りが抑制され、確実な減速比を得ることができる。

したがって、小型でフレクスプライン２の設計自由度を向上し、かつ減速効率を向上できる歯車減速機１０を提供できる。

（第２実施形態）
次に、図４に基づいて、本発明に係る第２実施形態について説明する。
図４は、第２実施形態に係る歯車減速機１０の図１のＩＶ−ＩＶ断面図である。以下の説明において、上述した第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
図４に示すように、本第２実施形態と前述の第１実施形態との相違点は、本第２実施形態では、第１実施形態の構成に加えて補助プラネタリギヤ７が設けられている点で上述した第１実施形態と相違している。

歯車減速機１０は、周方向においてプラネタリギヤ４の間に配置された２個の補助プラネタリギヤ７を有する。プラネタリギヤ４及び補助プラネタリギヤ７は、周方向に約９０°間隔で均等に配置されて交互に並んでいる。また、プラネタリキャリア２０３は、軸方向から見て径方向中央部から４方向に延びるように、軸方向から見て十字型に形成された架渡部２３３と、各架渡部２３３の先端に設けられた４個の自転軸２３５と、を有する。プラネタリギヤ４及び補助プラネタリギヤ７は、４個の自転軸２３５にそれぞれ回転自在に支持されている。補助プラネタリギヤ７は、インターナルギヤ１側の端部に設けられたギヤ部７３と、ギヤ部７３のフレクスプライン２側に設けられた撓み抑制部７５と、を有する。

ギヤ部７３は、補助プラネタリギヤ７の外周部に形成されている。ギヤ部７３は、インターナルギヤ１の内歯１１に噛合している。ギヤ部７３と、フレクスプライン２の外歯２５と、はインターナルギヤ１における同列の内歯１１に噛合している。

撓み抑制部７５の外形は、プラネタリギヤ４における転動部４５の外形よりも小さい。補助プラネタリギヤ７がプラネタリキャリア２０３に取り付けられた状態において、一対の撓み抑制部７５のうち径方向の最外径側に位置する部分を繋ぐ直線の長さＬ２は、無負荷状態のフレクスプライン２における円筒部２ａ内側の直径よりも小さい。
ギヤ部４３と、撓み抑制部７５と、は一体化されている。

このような構成のもと、補助プラネタリギヤ７は、プラネタリギヤ４と同期してサンギヤ５の周囲を公転しながら自転する。ここで、撓み抑制部７５の外形は、プラネタリギヤ４における転動部４５の外形よりも小さいので、撓み抑制部７５によって、フレクスプライン２が径方向外側に押圧されることがない。一方、撓み抑制部７５によって、フレクスプライン２が径方向内側に撓んでしまうことが抑制される。

このように、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用、効果を奏することに加え、補助プラネタリギヤ７によってフレクスプライン２の径方向内側への撓みが抑制できる。これにより、過度な撓みの発生が抑制され、フレクスプライン２の撓みを安定させることができる。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。
例えば、上述した実施形態では、プラネタリギヤ４の転動部４５（第２実施形態では撓み抑制部７５）とギヤ部４３とが一体化されている場合について説明したが、この構成のみに限られない。転動部４５（撓み抑制部７５）とギヤ部４３とは別体で構成されていてもよい。

インターナルギヤ１、フレクスプライン２、プラネタリギヤ４及びサンギヤ５の歯車の諸元は設計事項として適宜変更が可能である。
プラネタリギヤ４及び補助プラネタリギヤ７の個数は上述した実施形態に記載された個数以外であってもよい。
また、インターナルギヤ１の内歯１１とフレクスプライン２の外歯２５との歯数差は２枚差に限定されない。すなわち、歯数差が偶数であれば、２枚以上の歯数差に設定されていてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…インターナルギヤ
２…フレクスプライン
３…プラネタリキャリア
４…プラネタリギヤ
５…サンギヤ
１０…歯車減速機
１１…内歯
２５…外歯
４３…ギヤ部
４５…転動部

Claims

内歯を有するインターナルギヤと、
前記インターナルギヤの前記内歯に噛合する外歯を有し、径方向に弾性変形可能なフレクスプラインと、
前記フレクスプラインの内周を転動する転動部及び、前記インターナルギヤに噛合するギヤ部を有する複数のプラネタリギヤと、
前記複数のプラネタリギヤを回転自在に支持するプラネタリキャリアと、
前記複数のプラネタリギヤに噛合するサンギヤと、
を備える
ことを特徴とする歯車減速機。
前記転動部と、前記ギヤ部と、は一体化されている
ことを特徴とする請求項１に記載の歯車減速機。
前記ギヤ部と、前記フレクスプラインの前記外歯と、は前記インターナルギヤにおける同列の前記内歯に噛合する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の歯車減速機。