JP2021076244A - 高比率差動型減速機 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的高い減速比を具現しながらも、構造的に単純化することができ、且つ耐久性の向上と製造コストの削減を達成することができる高比率差動型減速機を提供する。
【解決手段】キャリア１１０は、入力軸１０に連結される。少なくとも一つ以上の遊星ギヤ１２０は、キャリアから偏心された状態でキャリアに回転可能に支持される。固定内歯ギヤ１３０はキャリアと同軸に配置された状態で遊星ギヤと噛合される。回転内歯ギヤ１４０は固定内歯ギヤと同軸に配置された状態で、遊星ギヤと噛合され、歯数が下記の数式（１）によって設定される。

【選択図】図１

Description

本発明は、高比率差動型減速機｛Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｒｅｄｕｃｅｒ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｒａｔｉｏ｝に関するものであって、より詳細にはモータ等のような入力装置から入力される回転運動を差動方式により高比率で減速させて、高トルクで出力できるようにする減速機に関する。

電気を用いて動力を作るモーターは、エネルギー効率の高い特性を有し、高速の回転運動を生成することができる。また、モータは制御と構成装備が比較的簡単であるので、ロボットの分野においてアクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）として多く応用される。

しかし、一般的に、モータは力／トルク密度が高くないため、大きなトルクを必要とする多くの産業用ロボット等に適用されるためには、出力トルクを高めるための別の機構を必要とする。

このとき、回転速度を犠牲（ｔｒａｄｅ）にして力／トルク密度を増加させる機械的装置であるギヤ減速機が主に使用される。

インボリュート曲線に基づいた平ギヤを使用した減速の場合には、歯形干渉によるアンダーカットを避けるために、１段減速の割合は、最大１:１０内外に限定される。

したがって、産業用ロボット等において必要とする１：１００内外の高比率の減
速のためには多段減速が必要するものの、構造の複雑性が増加し、また入力軸と出力軸がずれるなど発生し得る幾つかの問題を考慮して減速機を設計すべきである。

入力軸と出力軸を同一線上に位置させながら高比率の減速比を具現する代表的な減速機としては、遊星ギヤ列（ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｇｅａｒ ｔｒａｉｎ）とハーモニックドライブ（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｒｉｖｅ）がある。

遊星ギヤ列は、モータ軸に連結された太陽ギヤ（ｓｕｎ ｇｅａｒ）と、太陽ギヤと噛合される複数の遊星ギヤと、遊星ギヤ等を支持して出力軸の役割をするキャリアと、星ギヤ等と噛合される内歯ギヤ（ａｎｎｕｌａｒ ｇｅａｒ）とからなる。

遊星ギヤ列は２自由度装置であって、一般的に減速に使われる場合、内歯ギヤが固定されたまま太陽ギヤに回転運動が加わると、遅い速度で回転するキャリアから増幅されたトルクが出力される。

遊星ギヤ列は、歯形のモジュールが大きいので、大きなトルクを伝達することができ、構造が比較的単純で製作費が安く、且つ耐久性と信頼性が高いという利点を有している。

しかし、遊星ギヤ列は、減速比が太陽ギヤと内歯ギヤのピッチ円（ｐｉｔｃｈ ｃｉｒｃｌｅ）の直径に応じて決定されるため、減速比が約１０：１以内に制限され、より高い減速比のためには重さと体積の増加を甘受して多段に使用されるべきである。

ハーモニックドライブは、ウェーブジェネレータ（ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）と呼ばれる楕円形ベアリングと、フレックススプライン（ｆｌｅｘ ｓｐｌｉｎｅ）と呼ばれる弾性カップ、及びサーキュラスプライン（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｓｐｌｉｎｅ）と呼ばれる内歯ギヤで構成されている。

ウェーブジェネレーターによってフレックススプラインが楕円形に変形されると、フレックススプラインの外側面に成形されているギヤの歯がサーキュラスプラインの２つの歯と噛み合うようになる。

フレックススプラインのギヤ歯数とサーキュラスプラインのギヤ歯数は２ｎ（ｎ：正の整数）個だけの差があるため、ウェーブジェネレーターが１回転するたびにフレックススプラインは、２ｎピッチずつ移動する。

このとき、フレックススプラインのギヤ歯数が

数十〜数百：１の高比率減速が具現される。

ハーモニックドライブは、構成部品の数が少なく、高比率の減速が可能であるとの大きな利点のため、ロボットのように小型軽量の高出力駆動機構が必要な産業機械市場において広く使用されている。

しかし、ハーモニックドライブは、フレックススプラインの弾性変形による疲労破壊問題と、高価のウェーブジェネレーターによる価格の問題などがある。

本発明の課題は、比較的高い減速比を具現しながらも、構造的に単純化することができ、且つ耐久性の向上と製造コストの削減を達成することができる高比率差動型減速機を提供することにある。

前記の課題を達成するための本発明に係る高比率差動型減速機は、キャリア、少なくとも一つ以上の遊星ギヤ、固定内歯ギヤ、及び回転内歯ギヤを含んでいる。

キャリアは、入力軸に連結され、少なくとも一つ以上の遊星ギヤは、キャリアから偏心された状態でキャリアに回転可能に支持される。

固定内歯ギヤは、キャリアと同軸に配置された状態で遊星ギヤと噛合される。

回転内歯ギヤは、固定内歯ギヤと同軸に配置された状態で前記遊星ギヤと噛合され、歯数が下記の数式（１）によって設定される。

本発明によると、従来の遊星ギヤ列に備えた太陽ギヤなしに１段構成だけで数十：１乃至数百：１範囲の高い減速比を具現することができるので、従来の遊星ギヤ列よりも構造的に単純化することができる。

また、本発明によると、従来のハーモニックドライブで発生されるフレックススプラインの弾性変形による疲労破壊問題と共に、高価のウェーブジェネレーターによる価格問題を解消することができるので、耐久性の向上と製造コストの削減を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る高比率差動型減速機に対する断面図である。 図１における高比率差動型減速機の一部に対する斜視図である。 図２の分解斜視図である。 回転内歯ギヤのモジュールと圧力角を求めるための数学式を誘導する過程を説明するための図である。 遊星ギヤの解釈根拠を説明するための図である。 回転内歯ギヤの電位係数を求めるための数学式を誘導する過程を説明するための図である。 回転内歯ギヤの電位係数を求めるための数学式を誘導する過程を説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係る高比率差動型減速機の断面図である。 図８の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る高比率差動型減速機の断面図である。 図１０の斜視図である。

本発明の添付された図面を参照して、詳細に説明すると、次の通りである。

ここで、同一構成については、同一符号を使用し、且つ繰り返される説明、本発明の要旨を不要に曖昧にさせる公知の機能及び構成についての詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態は、当業界における平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。

したがって、図面における要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張されることがある。

図１は、本発明の一実施形態に係る高比率差動型減速機の断面図である。

図２は、図１における高比率差動型減速機の一部に対する斜視図である。

図３は、図２の分解斜視図である。

図１乃至図３を参照すると、本発明の一実施形態に係る高比率差動型減速機１００は、キャリア１１０と、少なくとも一つ以上の遊星ギヤ１２０と、固定内歯ギヤ１３０と、回転内歯ギヤ１４０と、を含んでいる。

キャリア１１０は、入力軸１０に連結され、入力軸１０から入力される回転運動によって回転することができる。入力軸１０は、回転モーター１１の駆動軸に当該される。

キャリア１１０は、回転中心に回転モータの駆動軸を連結することができ、偏心部位に遊星ギヤ１２０を回転可能に支持し、回転することによって、遊星ギヤ１２０を公転運動させる。

遊星ギヤ１２０は、キャリア１１０から偏心された状態でベアリング１２１によって、キャリア１１０に回転可能に支持され、キャリア１１０の回転時公転運動しながらキャリア１１０に対して自転運動することができる。

遊星ギヤ１２０は、固定内歯ギヤ１３０と回転内歯ギヤ１４０に共通して噛合され、また平ギヤからなることができる。

遊星ギヤ１２０は、２つで対をなすように備えることができ、キャリア１１０の回転中心から同一の間隔で配列される。

遊星ギヤ１２０等の各回転中心は、キャリア１１０の回転半径で対称される地点に位置することができる。

遊星ギヤ１２０の歯数は、固定内歯ギヤ１３０と回転内歯ギヤ１４０の各歯数よりも少なく設定される。

遊星ギヤ１２０を２個備えたものとして例示されているが、１つまたは３つ以上備えることもできる。

固定内歯ギヤ１３０は、キャリア１１０と同軸に配置された状態で遊星ギヤ１２０と噛合され、キャリア１１０の回転時公転運動する遊星ギヤ１２０を自転運動させることができる。

遊星ギヤ１２０が平ギヤから成った場合、固定内歯ギヤ１３０は、平ギヤから成って遊星ギヤ１２０と噛合することができる。固定内歯ギヤ１３０は、固定フレーム２０に固定されて位置を維持することができる。

回転内歯ギヤ１４０は、固定内歯ギヤ１３０と同軸に配置された状態で遊星ギヤ１２０と噛合され、出力軸の役割をする。

回転内歯ギヤ１４０は、キャリア１１０の回転時遊星ギヤ１２０が公転運動に加えて自転運動することに応じて回転することで、キャリア１１０に入力される回転運動を減速させて出力できるようにする。

回転内歯ギヤ１４０は、ベアリング１４１によって回転支持されることができる。

遊星ギヤ１２０が平ギヤからなる場合、回転内歯ギヤ１４０は平ギヤからなって、遊星ギヤ１２０と噛合することができる。

一方、他の例として、遊星ギヤ１２０、固定内歯ギヤ１３０、及び回転内歯ギヤ１４０は、それぞれヘリカルギヤで構成することもできる。

回転内歯ギヤ１４０は、歯数が下記の数式（１）によって設定される。

前記数式（１）によれば、遊星ギヤ１２０が１個である場合、回転内歯ギヤ１４０の歯数が固定内歯ギヤ１３０の歯数よりも１つが多く、又は少なく設定される。回転内歯ギヤ１４０の歯数が固定内歯ギヤ１３０の歯数よりも１つ多いと、遊星ギヤ１２０が１回回転するとき、回転内歯ギヤ１４０が固定内歯ギヤ１３０より１ピッチだけ遊星ギヤ１２０の公転方向と同一方向に進む。

回転内歯ギヤ１４０の歯数が固定内歯ギヤ１３０の歯数よりも１つ少ないと、遊星ギヤ１２０が１回回転するとき、回転内歯ギヤ１４０が固定内歯ギヤ１３０よりも１ピッチだけ遊星ギヤ１２０の公転方向と反対方向に進む。

したがって、固定内歯ギヤ１３０の歯数が

個である場合、遊星ギヤ１２０が固定内歯ギヤ１３０の歯数だけ公転すると、回転内歯ギヤ１４０は、１回転をするので、減速比は

になる。

遊星ギヤ１２０が２個である場合、回転内歯ギヤ１４０の歯数が固定内歯ギヤ１３０の歯数よりも２つ多く、又は少なく設定される。そうすると、前述した原理により、減速比は

となる。

同様に、説明の遊星ギヤ１２０が、

個である場合、減速比は

になる。

前述した高比率差動型減速機１００によると、固定内歯ギヤ１３０と回転内歯ギヤ１４０が遊星ギヤ１２０の数だけ歯数差を有する形で同軸に配置され、単一形状の流星ギヤ１２０が固定内歯ギヤ１３０と回転内歯ギヤ１４０を同時に噛合して回転する形で構成されて、数十：１乃至数百：１範囲の高い減速比を具現することができる。

このように、本実施形態の高比率差動型減速機１００は、従来の遊星ギヤ列に備えた太陽ギヤなしに１段構成だけで数十：１乃至数百：１範囲の高い減速比を具現することができるので、従来の遊星ギヤ列よりも構造的に単純化することができる。

また、本実施形態の高比率差動型減速機１００は、従来のハーモニックドライブから発生されるフレックススプラインの弾性変形による疲労破壊問題と共に、高価のウェーブジェネレーターによる価格問題を解消することができるので、耐久性の向上及び製造コストの削減を達成することができる。

一方、回転内歯ギヤ１４０は、互いに異なる歯数を有する固定内歯ギヤ１３０と、同時に遊星ギヤ１２０に噛合されるための歯形に矯正することができる。回転内歯ギヤ１４０の歯形矯正は、モジュール、圧力角、及び電位係数の設定により行うことができる。この場合には、固定内歯ギヤ１３０のモジュールと圧力角は、遊星ギヤ１２０のモジュールと圧力角と同一に設定することができる。

回転内歯ギヤ１４０のモジュールと圧力角は、下記の数式（２）及び（３）により求めることができる。下記の数式(２)及び(３)の誘導過程については後述することにする。

一方、遊星ギヤ１２０は、固定内歯ギヤ１３０の

と同一の

を有する。
ところで、遊星ギヤ１２０は、回転内歯ギヤ１４０との関係では

と解釈され得る。
これについては、下記の数式（４）の誘導過程と共に後述することにする。

このように、遊星ギヤ１２０のモジュールと、圧力角と、電位係数とがそれぞれ

の条件では、遊星ギヤ１２０の電位係数

は、下記の数式(４)により求めることができる。

そして、回転内歯ギヤ１４０の電位係数は、回転内歯ギヤと遊星ギヤの噛み合い圧力角が回転内歯ギヤの圧力角と同じ条件で、回転内歯ギヤのモジュール及び圧力角と、遊星ギヤの電位係数と、あらかじめ設定された法線方向バックラッシュ（ｎｏｒｍａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｂａｃｋｌａｓｈ）と、が下記の数式（５）に代入して求めることができる。下記数式（５）の誘導過程については後述することにする。

例えば、法線方向バックラッシュ無しに設定されると、前記数式（５）により回転内歯ギヤ１４０の電位係数

は遊星ギヤ１２０の電位係数

と符号が異なる絶対値が同一に設定され得る。

一般的に、法線方向バックラッシュが小さすぎると、ギヤ製作寸法誤差、ギヤ軸中心距離の変動、熱膨張、潤滑油の油膜厚さの変化、ギヤの歯変形などの要因などに敏感になり、また大きすぎると騒音と振動が発生する。したがって、回転内歯ギヤ１４０の電位係数

は適正水準の法線方向バックラッシュが反映されるように設定すべきである。

以下では、前記数式（２）乃至（５）の各誘導過程と、遊星ギヤの解釈の根拠について説明することにする。

前記数式（２）及び（３）の誘導過程は次の通りである。

回転内歯ギヤ１４０の

を決めるためには、遊星ギヤ１２０の中心軸の位置を考慮すべきである。

固定内歯ギヤ１３０と遊星ギヤ１２０のピッチ円は、それぞれ

を中心軸にして、半径がそれぞれ

であり、図４に示すように、ピッチ点

で互いに接する。

したがって、ピッチ円間との関係を用いて

を求めると、下記の数式（６）の通りである。

回転内歯ギヤ１４０と遊星ギヤ１２０の中心軸の距離関係を利用するためには、遊星ギヤ１２０は、

と仮定する。

同様に、回転内歯ギヤ１４０と遊星ギヤ１２０のピッチ円は、それぞれ

を中心軸にして、半径が、それぞれ

であり、ピッチ点

に接する。この関係を通じて

を求めると、下記の数式（７）の通りである。

回転内歯ギヤ１４０と固定内歯ギヤ１３０の中心軸は同一軸上にあり、単一形状の遊星ギヤ１２０が回転内歯ギヤ１４０と固定内歯ギヤ１３０に同時に噛合されるので、

は同一である。したがって、下記数式（８）が誘導される。

前記数式（８）の関係を利用すれば、回転内歯ギヤ１４０のモジュール

を求める前記数式（２）が誘導される。

そして、固定内歯ギヤ１３０の法線ピッチの長さが回転内歯ギヤ１４０の法線ピッチの長さと異なると、バックラッシュが増加し、動力伝送時の衝撃による振動が発生するおそれがある。

したがって、固定内歯ギヤ１３０の法線ピッチの長さは、回転内歯ギヤ１４０の法線ピッチの長さと同一に設定することができる。

この場合には、固定内歯ギヤ１３０、回転内歯ギヤ１４０の

は、下記数式（９）のような関係を有する。

前記数式（８）及び下記数式（９）によると、回転内歯ギヤ１４０の圧力角

を求める前記数式（３）が誘導される。

一方、遊星ギヤ１２０は、回転内歯ギヤ１４０との関係において、

と解釈し得る根拠を説明すると、次の通りである。

ギヤのインボリュート（ｉｎｖｏｌｕｔｅ）曲線は、図５の座標平面に下記数式（１０）のように定義される。

基礎円の半径が

であるインボリュート曲線は、図５のように、

から始まって前記数式（１０）による曲線からなる。

したがって、前記数式（９）により

の基礎円の半径は同一である。つまり、基礎円が同じ

は同じインボリュート曲線によって歯形を形成する。

一般的に、ギヤ歯形の歯幅は、ギヤのモジュール、電位係数、及び圧力角によって決定される。

固定内歯ギヤと噛合される遊星ギヤと、回転内歯ギヤと噛合される遊星ギヤの歯形曲線とが互いに同一あって、歯幅も同じであるので、歯の高さ（ｔｏｏｔｈ ｈｅｉｇｈｔ）だけ調整して、歯先円（ａｄｄｅｎｄｕｍ ｃｉｒｃｌｅ）と歯元円（ｄｅｄｅｎｄｕｍ ｃｉｒｃｌｅ）の直径とを同一にすれば、

は互いに完全に同一形状の遊星ギヤとなり得る。

これを通じて、単一形状の遊星ギヤは、歯先円と歯元円の直径が互いに同一であるが、歯数が互いに異なる固定内歯ギヤと回転内歯ギヤとを同時に噛合せて回転することができる。

つまり、

と解釈され得る。

一方、前記数式（４）の誘導過程は次の通りである。

あるインボリュートギヤの

とすれば、

は、図６及び図７において下記数式（１１）のように求めることができる。

この時、ギヤの基礎円の半径を

は下記数式（１２）のように求められる。

基礎円の大きさが

で等しい遊星ギヤ

の中心から半径が任意の値

である円周上の歯幅をそれぞれ

と定義する。前記数式（１１）の形で

を表現すると、下記数式（１３）及び（１４）のようである。

数式（１３）から数式（１４）を引けば、次のように中心から半径が

である円周上の

の歯幅の差異に対する数式（１５）が導出される。

前記数式（１５）を見ると、右辺の括弧内の数式が０になる場合、

に関係なく、

は同一である。右辺の括弧内の数式が０になる条件は、下記数式（１６）で表すことができる。

つまり、数式（１６）の条件が満たされる場合には、

が定義されるすべての区間において遊星ギヤ

の歯形と歯幅が一致するようになる。

は、下記数式（１７）の通りである。前記数式（１６）に下記数式（１７）が代入されると、電位量

を求める前記数式（４）が誘導される。

一方、前記数式（５）の誘導過程は次の通りである。

一般的に、

は、下記数式（１８）のように定義される。下記数式（１８）において、回転内歯ギヤと遊星ギヤの噛み合い圧力角

が回転内歯ギヤの圧力角

と同一に設定されると、回転内歯ギヤの電位係数

を求める前記数式(５)が誘導される。

図８は、本発明の他の実施形態に係る高比率差動型減速機の断面図である。

図９は図８の斜視図である。

図８及び図９を参照すると、本発明の他の実施形態に係る高比率差動型減速機２００において、遊星ギヤ２２０と固定内歯ギヤ２３０と回転内歯ギヤ２４０は、それぞれベベルギヤで構成されることができる。

遊星ギヤ２２０の回転軸は、キャリア２１０の入力軸１０に対して垂直に配置される。

固定内歯ギヤ２３０と回転内歯ギヤ２４０は、キャリア２１０と同軸に配置される。

固定内歯ギヤ２３０と回転内歯ギヤ２４０は、同心円を成すように配列された状態で遊星ギヤ２２０と同時に噛合されている形で構成される。

ここで、回転内歯ギヤ２４０の歯形は、前述した実施形態の方式と同一方式で固定内歯ギヤ２３０と同時に遊星ギヤ２２０に噛合されるための歯形に矯正することができる。

図１０は、本発明の他の実施形態に係る高比率差動型減速機の断面図である。

図１１は、図１０の斜視図である。

図１０及び図１１を参照すると、本発明の他の実施形態に係る高比率差動型減速機３００においても、遊星ギヤ３２０と固定内歯ギヤ３３０及び回転内歯ギヤ３４０は、それぞれベベルギヤで構成される。

ただし、遊星ギヤ３２０の回転軸は、キャリア３１０の入力軸１０に対して傾斜して配置される。

固定内歯ギヤ３３０と回転内歯ギヤ３４０は、遊星ギヤ３２０の配置関係に合わせて同時に噛合される形からなる。

回転内歯ギヤ３４０の歯形は、前述した実施形態の方式と同一方式で固定内歯ギヤ３３０と、同時に遊星ギヤ３２０に噛合されるための歯形に矯正することができる。

前述した実施形態のように、高比率差動型減速機２００、３００において、遊星ギヤ２２０、３２０と固定内歯ギヤ２３０、３３０及び回転内歯ギヤ２４０、３４０がそれぞれベベルギヤからなると、ギヤ等の形状を金型によってインジェクションモールディング方式や焼結方式などで製作することが容易になり得る。

本発明は、添付された図面に示された一実施形態を参考にして説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、そこから様々な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解することができる。したがって、本発明の真の保護範囲は、添付された特許請求の範囲によってのみ定められるべきである。

１０：入力軸
２０：固定フレーム
１１０、２１０、３１０：キャリア
１２０、２２０、３２０：遊星ギヤ
１３０、２３０、３３０：固定内歯ギヤ
１４０、２４０、３４０：回転内歯ギヤ

Claims (7)

1. 入力軸に連結されたキャリア;
   前記キャリアから偏心された状態で、前記キャリアに回転可能に支持される少なくとも一つ以上の遊星ギヤ;
   前記キャリアと同軸に配置された状態で、前記遊星ギヤと噛合される固定内歯ギヤ;及び
   前記固定内歯ギヤと同軸に配置された状態で、前記遊星ギヤと噛合され、歯数が下記の数式（１）により設定される回転内歯ギヤ;
   を含むことを特徴とする高比率差動型減速機。
   

   
2. 前記回転内歯ギヤのモジュールと圧力角は、下記の数式（２）及び（３）によって求められることを特徴とする請求項１に記載の高比率差動型減速機。
   

   
3. 前記遊星ギヤのモジュールと、圧力角と、電位係数とが、それぞれ
   

   

   
   である条件において、前記遊星ギヤの電位係数は、下記の数式（４）によって求められることを特徴とする請求項２に記載の高比率差動型減速機。
   

   
4. 前記回転内歯ギヤの電位係数は、
   前記回転内歯ギヤと遊星ギヤとの噛み合い圧力角が、前記回転内歯ギヤの圧力角と同じ条件において、前記回転内歯ギヤのモジュール及び圧力角と、前記遊星ギヤの電位係数と、予め設定された法線方向のバックラッシ（ｎｏｒｍａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｂａｃｋｌａｓｈ）が下記の数式（５）に代入されて求められることを特徴とする請求項３に記載の高比率差動型減速機。
   

   
5. 前記遊星ギヤ、固定内歯ギヤ、及び回転内歯ギヤは、それぞれ平ギヤからなることを特徴とする請求項１に記載の高比率差動型減速機。
6. 前記遊星ギヤ、固定内歯ギヤ、及び回転内歯ギヤは、それぞれヘリカルギヤからなることを特徴とする請求項１に記載の高比率差動型減速機。
7. 前記遊星ギヤ、固定内歯ギヤ、及び回転内歯ギヤは、それぞれベベルギヤからなることを特徴とする請求項１に記載の高比率差動型減速機。
   
   

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