JP3711338B2

JP3711338B2 - 揺動回転形回転継手装置

Info

Publication number: JP3711338B2
Application number: JP2002042153A
Authority: JP
Inventors: 禀三入江; 良二加瀬; 一中山; 実鈴木; 英嗣寺田
Original assignee: Sankyo Oilless Industries Inc
Current assignee: Sankyo Oilless Industries Inc
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: JP2003240008A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、入力軸の駆動を出力軸に回転伝達する回転継手装置であって、特に、入力軸と出力軸との交差角を大きくして、ロボットのアーム等において、駆動機構部のオフセット量を無くしてコンパクト化を図り、人・動物等の関節的な駆動に近似させることのできる揺動回転形回転継手装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に直角に回転を伝える機構としては、傘歯車、食い違い歯車、ウォーム及びウォーム歯車等の歯車機構、並びにピンカム機構があり、これらは直角方向への動力伝達、減速機等、減速を含めた形でも多く使用されている。単純な等速継ぎ手として使用されるものは、この中で同じ歯数を持った傘歯車方式のものが、例えば、図１３に示すように、ロボット関節部をはじめ多くの分野で使用されている。更に、交差角を持ったものとして、球面を利用した自動車用の等速ジョイントや自在継手等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの回転を伝える機構の中で、直角に等速で動力を伝えるものとして、傘歯車があるが、互いの歯が軸より離れた位置において外接するため、同時噛み合い歯数も少なく、且つ、噛み合いの遊び、また、軸のたわみ等の影響による回転精度や、位置決め精度の低下や、回転時の騒音が発生しやすい等の課題がある。
【０００４】
また、食い違い傘歯車、ウォーム及びウォームホイールについては、噛み合いは改善されるが、軸中心が直角に交わらないため、機構配置においてスペース等が制約される等の課題がある。入出力軸の交差軸が直角以下の直線に近いものとしては、自在継手、等速ジョイントがあり、自動車の駆動軸等広く使用されているが、これらは直角には動力を伝達できない課題がある。本発明に係る揺動回転形回転継手装置は、このような課題を解消するために提案されたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る揺動回転形回転継手装置の上記課題を解決するための要旨は、本体に回転自在に支持される入力軸と、該入力軸の回転によって該入力軸に係合する入力揺動軸を介して揺動回転運動される揺動体と、該揺動体と係合し支持する固定入力案内盤と、前記揺動体に係合して揺動回転される出力用揺動体と、該出力用揺動体に係合し揺動回転支持する固定出力案内盤と、前記出力用揺動体に突設された出力揺動軸に回転自在に係合された出力軸とでなることである。
【０００６】
前記揺動体と出力用揺動体との係合は、これらの一方に設けられた循環溝と他方に設けられた凹部と、前記循環溝と凹部との間に介在して摺接する球体とで構成されて係合していること、；
更に、前記入力軸と入力揺動軸との軸心の交差角βは、略０゜＜ β ≦２０゜の範囲であること、；
前記入力軸と入力揺動軸との軸心の交差角βは、略０゜＜ β ≦２０゜の範囲であり、出力揺動軸と出力軸との軸心の交差角γは、略０゜＜ γ ≦２０゜の範囲であること、；交差角βと、交差角γとは、β≧γの関係にあること、；
揺動体が略球状体に形成され、固定入力案内盤と固定出力案内盤とによって、与圧を付与されて支持されていることを含むものである。
【０００７】
本発明に係る揺動回転形回転継手装置によれば、球状体の揺動体を揺動回転させて出力用揺動体を介して出力軸を回転させることで、出力軸の交差角度αを任意に変えて回転伝達させる回転継手装置となるものであり、更に、回転伝達力の変動を無くし、揺動体と出力用揺動体との係合部に与圧を与えてバックラッシュを減少させることで、回転精度及び位置決め精度の向上が図られ、並びに、回転伝達駆動に伴う騒音を減少させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る揺動回転形回転継手装置１について図面を参照して説明する。該揺動回転形回転継手装置１は、図１に示すように、この回転継手装置の本体２に回転自在に支持される入力軸３と、該入力軸３の回転によって該入力軸３に係合する入力揺動軸４ａを介して揺動回転運動される揺動体４と、該揺動体４と係合し支持する固定入力案内盤５と、前記揺動体４に係合して揺動回転される出力用揺動体６と、該出力用揺動体６に係合し揺動回転支持する固定出力案内盤７と、前記出力用揺動体６に突設された出力揺動軸６ａに回転自在に係合された出力軸とで、概ね構成されている。
【０００９】
この揺動回転形回転継手装置１は、入力軸３と出力軸８との間に、略球形状に形成された揺動体４を介在させて、該揺動体４の球状体表面に係合手段を設けて出力軸８を係合させ、入力軸３の軸心ｉ（Ｘ軸方向）に対して出力軸８の軸心ｎ（Ｚ軸方向）を、ある範囲内の交差角αにおいて任意に回転駆動伝達の方向を設定できるようにしたものである。
【００１０】
前記入力軸３は、この回転継手装置の本体２にベアリングで回転自在に支持されている。そして、装置内部における入力軸３の一端部には、軸心ｉに対して交差角β（略０゜＜ β ≦２０゜）の孔軸心となる軸受け凹部３ａが設けられている。該軸受け凹部３ａには、揺動体４の表面から突設された入力揺動軸４ａが、前記交差角βと軸心ｗ＿ｉｎを一致させて配設され、その先端部がベアリングで回転自在に支持される。
【００１１】
前記揺動体４は、全体が略球状体に形成されており、その表面の一部から前記入力揺動軸４ａが突設されている。該入力揺動軸４ａの軸心ｗ＿ｉｎは、揺動体４の球中心Ｏ（オー）を通るように設けられている。
【００１２】
前記揺動体４は、本体２の下部に設けられた固定入力案内盤５で支持され、その支持構造は、図１乃至図２に示すように、球状体の揺動体４の表面に設けられた凹部であるボールポケット４ｂと、該ボールポケット４ｂに回転自在に嵌合・収納される球体であるボール９と、前記固定入力案内盤５の凹面に刻設された円形状の循環溝５ａとで構成されている。この一実施例では、ボールポケット４ｂと循環溝５ａとが各々１０箇所設けられている。
【００１３】
前記ボールポケット４ｂと前記循環溝５ａとの関係について説明する。前記ボール９に係合する固定入力案内盤５の循環溝５ａにおける、ボール球心軌跡ｂと、ボール９の球心の初期設定値Ｐ_０の位置を、図３に示す。図中において、中央部の軌跡ａは、入力揺動軸４ａにおけるある一点の、入力軸３を回転させた時の軌跡を示す。各軌跡上の黒点は、初期設定位置を示す。
【００１４】
このボール球心軌跡ｂは、入力軸３の軸心ｉに対して、入力揺動角となる交差角β（略０゜＜ β ≦２０゜）をもって入力軸３を回転させたときに得られる、揺動体４に設けた各ボール９の球心軌跡であって、次式によって算出される。θは、入力軸３の回転角である。図４に示すように、任意の一点（初期位置）Ｐ_０として、軸心ｉ周りのθ回転後の座標位置をＰ_１、該Ｐ_１を入力揺動軸４ａの軸心ｗ＿ｉｎに座標変換した位置がＰ_２とすると、
【式１】Ｐ_１＝Ｐ_ｏ・Ｅ^ｉ・θ
【式２】Ｐ_２＝Ｐ_１・Ｅ^{ｗ＿ｉｎ（−θ）}
となる。但し、Ｅは、前記入力軸３の軸心ｉの回転θに関する変換マトリクスである。
この軌跡ｂにより、前記ボール９と同じ形状の工具で加工生成すると、必要な循環溝５ａとボールポケット４ｂが得られる。交差角βの角度範囲は略０゜＜ β ≦２０゜としたが、これは、循環溝の形状やスペースなどを勘案して実用上適当な範囲となるように考慮して設定してある。一例として、上記実施例では、β＝１０゜である。
【００１５】
次に、前記ボール９と共に、出力揺動体６及びボール１０を介して球状体の揺動体４を支持するボール１１の軌跡を求める。当該ボール１１と、これに係合する固定出力案内盤７の循環溝７ａ（図５参照）と、出力用揺動体（ボールリテーナともいう）６の外周面に設けられたボールポケット６ｄ（図６（Ｃ）参照）との関係は、図１において、出力軸８から前記ボール１１を見れば、上記入力軸３に対するボール９との関係と同様の関係にあるので、前記ボール９の軌跡ｂを求めるのと同様な手順で求めることができる。
【００１６】
まず、構成において、前記出力軸８は、前記固定出力案内盤７に回転自在に設けられており、該出力軸８の一端部側には、軸心ｎに対して交差角γ（略０゜＜γ ≦２０゜）の孔軸心となる軸受け凹部８ａが設けられている。該軸受け凹部８ａには、出力用揺動体６から突設された出力揺動軸６ａが、前記交差角γとその軸心ｗ＿ｏｕｔを一致させて配設され、その先端部がベアリングで回転自在に支持される。前記出力揺動軸６ａの軸心ｗ＿ｏｕｔは、揺動体４の球中心Ｏ（オー）を通るように設けられている。
【００１７】
そこで、前記ボール１１の球心の軌跡を算出するには、前記ボール１１の球心の初期位置を任意に決めてこの位置をＰ３、出力軸８の軸心をｎ、出力揺動体６の出力揺動軸６ａの軸心をｗ＿ｏｕｔ、出力揺動角となる交差角をγとして、前記【式１】乃至【式２】における記号を入れ替えて求めるものである。この実施例では等速回転させるので出力軸８の回転を入力軸３の回転と等しくθとすると、以下のように、
Ｐ_０ → Ｐ_３
Ｐ_１ → Ｐ_４
Ｐ_２ → Ｐ_５
ｉ → ｎ
β → γ
軸心ｗ＿ｉｎ → 軸心ｗ＿ｏｕｔ
θ → θ （等速の場合）
にそれぞれ置き換えるものである。なお、出力軸８を回転させた場合の前記ボール１１の球心の軌跡ｃを図７に示す。
【００１８】
この軌跡ｃにより、前記ボール１１と同じ形状の工具で加工生成すると、必要な循環溝７ａとボールポケット６ｄが得られる。交差角γは、略０゜＜ γ ≦２０゜の範囲内において設定されるが、実施例では、５゜である。
【００１９】
更に、前記入力軸側の交差角βとの関係において、β≧γの関係にある。これは、入力軸３による交差角βで揺動回転させた揺動体４の揺動回転運動を出力軸８にスムーズに伝達させるためである。具体的な構成として、図５に示すように、前記固定出力案内盤７の循環溝７ａは、周方向に略均等にして１１箇所設けられており、また、これに対応して、図６（Ｃ）に示すように、出力揺動体６の外周面にボールポケット６ｄが、周方向に１１箇設けられている。
【００２０】
このように、前記ボール９と前記ボール１１とにより、揺動体４は、その球中心Ｏ（オー）が位置ズレすることなく、且つ、入力揺動軸４ａと出力揺動軸６ａとの各々の軸心周りにスピンすることなく揺動自在に支持されるものである。
【００２１】
次に、揺動体４の上部には、揺動回転伝達用に、出力用揺動体６との係合を図る円形状の循環溝４ｃが、図８に示すように、例えば、上部の周方向に１０箇所設けられている。一方、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、出力用揺動体６の内面６ｃには、ボールポケット６ｂが、前記循環溝４ｃに対応して、１０箇所設けられている。そして、図１に示すように、該ボールポケット６ｂに球体であるボール１０が回動自在に嵌合されている。
【００２２】
前記循環溝４ｃ，ボールポケット６ｂ及びボール１０は、入力軸３の回転によって揺動回転された揺動体４から、前記出力用揺動体６に当該揺動回転を伝達する為のものである。前記円形状であるが各々異なった大きさの複数の循環溝４ｃが全体で、前記ボール１０を介して出力用揺動体６を揺動回転させる。
【００２３】
前記出力用揺動体６の出力揺動軸６ａは、出力軸８の軸心ｎから偏芯した位置に軸心ｗ＿ｏｕｔを設定することにより、前記揺動体４からの力はクランク運動として、出力軸８の回転運動に変換され、該出力軸８を回転させる。この場合において、一つのボールではクランク運動での死点ができて出力軸８を回転させることができないので、複数の溝とボールとを干渉がない範囲で、平均的に配置することにより、前記死点を回避させて円滑な回転を得るものである。
【００２４】
前記揺動体４の循環溝４ｃとボールポケット６ｂとに係合するボール１０の初期設定位置Ｐ_６と、該循環溝４ｃにおけるボール球心軌跡ｅとを図９に示す。前記ボール１０の中心軌跡ｅを算出するには、前記軌跡の算出手順と同様にして行うものである。
【００２５】
まず、任意に初期位置Ｐ_６を決めて、これを軸心ｎの周りにθ回転させた位置Ｐ_７とし、それを、出力揺動軸６ａの軸心ｗ＿ｏｕｔで座標変換した位置Ｐ_８とする。この軌跡ｄは、実際には製品に形として現れない中間の仮想軌跡であり、円形状の軌跡となる。
【００２６】更に、揺動体４の循環溝４ｃは、前記仮想軌跡ｄから入力軸３の揺動運動を差し引くことで中心運動軌跡ｅが求められる。即ち、前記軌跡の算出手順と同様にして繰り返して、前記位置Ｐ _８を入力揺動軸４ａの軸心ｗ＿ｉｎに座標変換して位置Ｐ_９とし、更に、入力軸３の軸心ｉに座標変換して軌跡ｅを求めるものである。
【００２７】
こうして、この揺動回転形回転継手装置１では、入力軸３がθ回転すると、入力揺動軸４ａが球中心Ｏ（オー）を中心として軸心ｉの周りに回転し、揺動体４が揺動回転する。そして、環状溝４ｃ，ボール１０，ボールポケット６ｂの係合により出力用揺動体６が揺動回転し、出力揺動軸６ａが球中心Ｏ（オー）を中心にして軸心ｎの周りを回転して、出力軸８をθ回転させ、入力軸方向に対して直交方向の出力軸に、等速に回転伝達される。
【００２８】
なお、前記ボールポケット４ｂ，６ｂ，６ｄと循環溝５ａ、４ｃ、７ａとは、その断面形状を、図１０（Ａ）に示すように、半球状とし、その他、ゴシック形（図１０（Ｂ））、Ｖ形（同図（Ｃ））とすることもできで、摩擦や加工の容易性などにより適宜に選択できるものである。
【００２９】
また、前記循環溝とボールポケットとの関係を、逆にして、例えば、揺動体４の循環溝４ｃをボールポケットにし、出力揺動体６のボールポケット６ｂを循環溝にしてボール１０をその間に配設しても良い。その場合の、ボール１０の初期位置と循環溝の軌跡、仮想軌跡を図１１に示す。
【００３０】
更に、揺動体４に与圧を付与するには、固定出力案内盤７を本体２に取り付ける際に、取付面に与圧を与えるように寸法調整した間座やシムを使う方法や、バネやゴム等の弾性体を介在させ、一定のトルクで締め付けるようにして行うものである。
【００３１】
揺動回転形回転継手装置の他の実施例として、図１２に示すように、入力軸３と出力軸８との交差角αを、例えば、１１０゜にした揺動回転形回転継手装置１ａがある。これは、入力揺動軸４ａと、出力用揺動体６及び固定出力案内盤７とが干渉しないように、どの程度まで出力軸８を入力軸３に近づけられるかの限界を試したものである。概ね、交差角α≦１１０゜程度まで可能である。また、逆に、０゜＜α＜７０゜の範囲では、図１において左側の固定入力案内盤５と、出力用揺動体６と固定出力案内盤７とが干渉するので、前記左側の固定入力案内盤５を本体２から取り外すことで対応できる。
【００３２】
本発明に係る揺動回転形回転継手装置１，１ａは、入力軸３に対して、交差角αにして出力軸８を設定することができることになり、例えば、ロボットアーム等の限られた狭いスペースにおいて、方向を変えて回転駆動を伝達させる場合に極めて有効であり、バックラッシが無く伝達効率が向上し、騒音も静粛になるものである。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る揺動回転形回転継手装置は、本体に回転自在に支持される入力軸と、該入力軸の回転によって該入力軸に係合する入力揺動軸を介して揺動回転運動される揺動体と、該揺動体と係合し支持する固定入力案内盤と、前記揺動体に係合して揺動回転される出力用揺動体と、該出力用揺動体に係合し揺動回転支持する固定出力案内盤と、前記出力用揺動体に突設された出力揺動軸に回転自在に係合された出力軸とでなるので、入力軸に対する出力軸の交差角をある角度範囲内で自由に設定することができるようになり、駆動伝達装置のコンパクト化に貢献すると共に、設計自由度が飛躍的に大きくなると言う優れた効果を奏するものである。
【００３４】
また、本発明の揺動回転形回転継手装置により、交差角αを自由に設定できると共に、球状体の揺動体が前記固定入力案内盤と固定出力案内盤とにより揺動軸周りにスピンすることなく、入力軸の回転によって揺動回転するものである。
【００３６】
前記揺動体と出力用揺動体との係合は、これらの一方に設けられた循環溝と他方に設けられた凹部と、前記循環溝と凹部との間に介在して摺接する球体とで構成されて係合しているので、揺動体がスムーズに揺動回転されるものである。
【００３７】
前記入力軸と入力揺動軸との軸心の交差角βは、略０゜＜ β ≦２０゜の範囲であること、また、前記出力揺動軸と出力軸との軸心の交差角γは、略０゜＜ γ ≦２０゜の範囲であることとするので、実用にかなう回転伝達装置となる。
【００３８】
前記交差角βと、交差角γとは、β≧γの関係にあるので、回転伝達がスムーズに行われる。前記揺動体が略球状体に形成され、固定入力案内盤と固定出力案内盤とによって、与圧を付与されて支持されているので、バックラッシのない、伝達効率の優れた静粛な揺動回転形回転継手装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る揺動回転形回転継手装置１の半断面にした正面図である。
【図２】同本発明に係る揺動回転形回転継手装置１における、固定入力案内盤５を半断面にして示した側面図（Ａ）、正面図（Ｂ）である。
【図３】同本発明に係る揺動回転形回転継手装置１における、ボール９の軌跡ｂを示す説明図である。
【図４】同本発明に係る揺動回転形回転継手装置１において、ボール初期位置Ｐ _０を軸心ｉ、軸心ｗ＿ｉｎで回転させた場合の軌跡を示す説明図である。
【図５】同本発明に係る揺動回転形回転継手装置１における、固定出力案内盤７の半断面にして示す側面図（Ａ）と、正面図（Ｂ）である。
【図６】同本発明に係る揺動回転形回転継手装置１における、出力揺動体６の正面図（Ａ）、半断面で示す側面図（Ｂ）、背面図（Ｃ）である。
【図７】同本発明に係る揺動回転形回転継手装置１において、ボール１１の球心の軌跡ｃを示す説明図である。
【図８】同本発明に係る揺動回転形回転継手装置１における、揺動体４の正面図（Ａ）と、側面図（Ｂ）である。
【図９】同本発明に係る揺動回転形回転継手装置１における、揺動体循環溝４ｃのボール球心軌跡ｅを示す説明図である。
【図１０】ボールポケットと循環溝との溝断面形状の例を示す図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）である。
【図１１】本発明の他の実施例に係るもので、循環溝とボールポケットとの関係を逆にした場合の、ボール１０の初期位置と循環溝の軌跡、仮想軌跡を示す説明図である。
【図１２】交差角α＝１１０゜にした場合の揺動回転形回転継手装置１ａの、一部を破断して示す正面図である。
【図１３】従来例に係る回転伝達機構の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１ａ揺動回転形回転継手装置、２本体、
３入力軸、３ａ軸受け凹部、
４揺動体、４ａ入力揺動軸、
４ｂボールポケット、４ｃ循環溝、
５固定入力案内盤、５ａ循環溝、
６出力用揺動体、６ａ出力揺動軸、
６ｂボールポケット、６ｃ内面、
６ｄボールポケット、７固定出力案内盤、
７ａ循環溝、８出力軸、
８ａ出力軸凹部、９、１０，１１ボール。

Claims

本体に回転自在に支持される入力軸と、
該入力軸の回転によって該入力軸に係合する入力揺動軸を介して揺動回転運動される揺動体と、
該揺動体と係合し支持する固定入力案内盤と、
前記揺動体に係合して揺動回転される出力用揺動体と、
該出力用揺動体に係合し揺動回転支持する固定出力案内盤と、
前記出力用揺動体に突設された出力揺動軸に回転自在に係合された出力軸とでなること、
を特徴とする揺動回転形回転継手装置。
揺動体と出力用揺動体との係合は、これらの一方に設けられた循環溝と他方に設けられた凹部と、前記循環溝と凹部との間に介在して摺接する球体とで構成されて係合していること、
を特徴とする請求項１に記載の揺動回転形回転継手装置。
入力軸と入力揺動軸との軸心の交差角βは、略０゜＜ β ≦２０゜の範囲であり、出力揺動軸と出力軸との軸心の交差角γは、略０゜＜ γ ≦２０゜の範囲であること、
を特徴とする請求項１に記載の揺動回転形回転継手装置。
交差角βと、交差角γとは、β≧γの関係にあること、
を特徴とする請求項３に記載の揺動回転形回転継手装置。
揺動体が略球状体に形成され、固定入力案内盤と固定出力案内盤とによって、与圧を付与されて支持されていること、
を特徴とする請求項１に記載の揺動回転形回転継手装置。