JP4051397B1 - 歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックラッシを抑制しつつ、そのことが歯車や軸などの部位に悪影響を生じさせない歯車装置を提供する。
【解決手段】従動側歯車を第１歯車２１と第２歯車２２とに２分し、駆動側歯車１１は、軸直交中心面Ｐ６から軸方向外方の端面Ｐ５、Ｐ７へ向かうにつれて歯先円１１ａ及び歯底円１１ｂの径が減少する。第１歯車２１と第２歯車２２は、軸方向外方に向かうにつれて歯先円２１ａ、２２ａ及び歯底円２１ｂ、２２ｂの径が増加する。この形状で、ばね２４によって第１歯車２１と第２歯車２２とが駆動側歯車１１を挟持するように噛み合って、バックラッシが抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、歯車装置に関する。

周知のとおり歯車装置は動力伝達の手段として広く普及しているが、バックラッシの問題がある。バックラッシとは、歯車が噛み合わせられたときの歯面間の遊びであり、バックラッシがなければ、歯車間がきしみ滑らかな回転や高い動力伝達効率にとって障害となる。しかしバックラッシが存在すると、軸の回転角度を高精度で制御したい場合などに障害となる。

バックラッシを抑制する代表的な従来技術のひとつは、平歯車と平歯車との場合軸間距離を調節することによって噛み合いを適切にすることである。

またバックラッシを抑制する方法として、下記特許文献１に記載された方法も提案されている。特許文献１では、図２に示された構成によって、両方の歯車をテーパ状に形成して、ばねによって一方の歯車を軸方向に押圧することによって両歯車を適切に押し合うようにしてバックラッシを抑制するとしている。なお図２は軸受部分などを省略した図である。

特開平１１−５１１５６号公報

しかし軸間距離を調節することによってバックラッシの抑制を目指す場合、軸を移動可能にすることは効率のよい動力伝達を阻害する要因になり得る。また軸間距離を最適化するような調節機構が必要となり、複雑な装置となる可能性がある。さらに軸を移動可能とすること自体が装置構成を複雑化する可能性もある。

また特許文献１の構成では、図２に矢印で示したように、両歯車間で押し合う力が軸方向に対して斜め方向となる。この斜め方向からの力によって、歯車装置の各部位が影響を受ける可能性がある。例えば歯車や軸が長期的に使用しているうちに変形する可能性もある。もし変形すれば、歯車の回転の精度を狂わせるだけにとどまらず、回転自体に障害が発生するかもしれない。また軸を斜め方向から軸受に押圧することで想定外の摩擦が発生し、これが動力伝達効率を低下させる可能性もある。

通常の平歯車構造の場合、両歯車間にかかる力は基本的に、一方の歯車の歯面が、もう一方の歯車の歯面を押す力のみであり、押された側の歯車は受けた力に対して抵抗せず、そのまま回転力に転じさせる。したがって歯車各部に発生する応力は負荷が大きくない限り、大きくはならない。しかし特許文献１の歯車装置は、例え負荷が軽くても歯車間に大きな荷重がかかる得る。

よって特許文献１における、斜め方向の力とその影響は従来にはない現象であり、結局特許文献１にはバックラッシの抑制という利点と、歯車間の力の影響で歯車装置に不具合が生じ得るという欠点との両方がある。したがって、バックラッシを抑制しつつ、歯車に悪影響を生じさせない歯車装置を開発することが必要である。

本発明が解決しようとする課題は、上記問題点に鑑み、バックラッシを抑制しつつ、そのことが歯車や軸などの部位に悪影響を生じさせない歯車装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を達成するために、本発明に係る歯車装置は、駆動力を得て回転する駆動側歯車と、その駆動側歯車の軸と平行な軸を有し、前記駆動側歯車と噛合することで回転力が付与されて回転する従動側歯車とを有する歯車装置であって、前記従動側歯車は、軸方向に併置されて軸方向に個々に移動可能な第１歯車と第２歯車とよりなり、前記駆動側歯車において、軸方向に関する中心にあり軸と直交する平面である軸方向中心面から軸方向外方の端面に向かうにつれて歯先円の半径が減少し、前記第１歯車において、第２歯車に対向する端面から軸方向外方の端面に向かうにつれて歯先円の半径が増加し、前記第２歯車において、第１歯車に対向する端面から軸方向外方の端面に向かうにつれて歯先円の半径が増加し、前記第１歯車と前記第２歯車とを、前記第１歯車と前記第２歯車との間隔を減少させる方向へ付勢する弾性部材を備え、前記第１歯車と前記第２歯車とが前記駆動側歯車を軸方向から挟持して、前記第１歯車と前記駆動側歯車とが噛合し、前記第２歯車と前記駆動側歯車とが噛合することを特徴とする。

これにより、従動側歯車が第１歯車と第２歯車よりなり、駆動側歯車は軸方向外方に向かうにつれて歯先円の半径が減少し、第１歯車と第２歯車とは軸方向外方に向かうにつれて歯先円の半径が増加し、弾性部材によって第１歯車と第２歯車とが駆動側歯車を挟持するかたちで歯車が噛み合うので、バックラッシのない安定した噛み合いによって安定した、そして高精度に回転角度を制御できる歯車装置となる。さらに、第１歯車と第２歯車とが駆動側歯車を挟持するかたちなので、従来技術のように一方から押し付けることによって斜め方向の力が発生して軸や軸受や歯車等に歪み、変形や想定外の摩擦などの悪影響を与える可能性を低減できる。よって長期にわたって安定してバックラッシのない高精度な位置決めが可能で、動力伝達効率も優れた歯車装置とできる。

また前記第１歯車と前記第２歯車とに軸方向に形成された貫通孔と、その第１歯車の貫通孔と第２歯車の貫通孔に挿入されて配置された棒状部材とを備え、その棒状部材の長さ方向両端部には、径が増加された頭部が形成され、前記弾性部材は、前記頭部と前記第１歯車の端面との間あるいは前記頭部と第２歯車の端面との間に配置されたばねであるとしてもよい。

これにより第１歯車と第２歯車とに軸方向に形成された貫通孔に棒状部材を挿入して、ばねによって第１歯車と第２歯車とを間隔を狭める方向に付勢するので、簡易な構成によって、第１歯車と第２歯車で駆動側歯車を挟持する構成が実現できる。よって、簡易な構成で、長期にわたって安定してバックラッシのない高精度な位置決めが可能で、動力伝達効率も優れた歯車装置とできる。

また前記駆動側歯車において、前記軸方向中心面から軸方向外方の端面に向かうにつれて転位量が減少し、前記第１歯車において、第２歯車に対向する端面から軸方向外方の端面に向かうにつれて転位量が増加し、前記第２歯車において、第１歯車に対向する端面から軸方向外方の端面に向かうにつれて転位量が増加するとしてもよい。

これにより転位量を適切に設定することにより、第１歯車と駆動側歯車との間、及び第２歯車と駆動側歯車との間で滑らかな回転の伝達が可能となる。したがって、滑らかな回転の伝達とともに、長期にわたって安定してバックラッシのない高精度な位置決めが可能で、動力伝達効率も優れた歯車装置とできる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１には本発明の歯車装置の概要図が示されている。図１は軸方向断面図である。

歯車装置１は、基本的構造として、駆動側の軸１０、駆動側歯車１１、従動側の軸２０、従動側歯車からなる。従動側歯車は第１歯車２１と第２歯車２２とからなる。図示しない駆動機構から駆動力が伝達されて軸１０が回転し、それにより軸１０と一体に駆動側歯車１１も回転する。そして駆動側歯車１１と噛合する第１歯車２１と第２歯車２２とに回転力が伝えられて、第１歯車２１と第２歯車２２とが回転し、これにより軸２０も回転する。このようにして軸１０から軸２０へと回転が伝達される。

第１歯車２１及び第２歯車２２は、軸方向に移動可能とする。この目的のために例えば軸２０の表面に軸方向にレール形状のレール凸部を形成し、第１歯車２１及び第２歯車２２の孔部にはそれに対応した形状のレール凹部を形成して、レール凸部をレール凹部に挿入する形態としてもよい。これにより簡易な形状で第１歯車２１及び第２歯車２２を軸方向に個々に移動可能とできる。

駆動側歯車１１の歯先円（より正確には歯先円を軸方向に積み重ねた曲面と軸中心線を含む平面との交線）が１１ａで、歯底円（より正確には歯底円を軸方向に積み重ねた曲面と軸中心線を含む平面との交線）が１１ｂでそれぞれ示されている。第１歯車２１の歯先円（より正確には歯先円を軸方向に積み重ねた曲面と軸中心線を含む平面との交線）が２１ａで、歯底円（より正確には歯底円を軸方向に積み重ねた曲面と軸中心線を含む平面との交線）が２１ｂでそれぞれ示されている。

第２歯車２２の歯先円（より正確には歯先円を軸方向に積み重ねた曲面と軸中心線を含む平面との交線）が２２ａで、歯底円（より正確には歯底円を軸方向に積み重ねた曲面と軸中心線を含む平面との交線）が２２ｂでそれぞれ示されている。なお以下の記載でも記載の簡略化のために、歯先円を軸方向に積み重ねた曲面と軸中心線を含む平面との交線との意味で歯先円と表現する場合がある。また歯底円を軸方向に積み重ねた曲面と軸中心線を含む平面との交線との意味で歯底円と表現する場合がある。

駆動側歯車１１は、図１に示されたとおり、軸方向に関する中心にあり軸に直交する面である軸方向中心面Ｐ６から軸方向外方の端面Ｐ５、Ｐ７に向かうにつれて、歯先円及び歯底円の径（直径、半径）が減少する形状を有する。第１歯車２１は、軸方向内方の端面つまり、第２歯車２２に対向する端面Ｐ２から軸方向外方の端面Ｐ１に向かうにつれて、歯先円及び歯底円の径（直径、半径）が増加する形状を有する。第２歯車２２も、軸方向内方の端面つまり第１歯車２１に対向する端面Ｐ３から軸方向外方の端面Ｐ４に向かうにつれて、歯先円及び歯底円の径（直径、半径）が増加する形状を有する。

駆動側歯車１１は、軸方向中心面Ｐ６から軸方向外方の端面Ｐ５、Ｐ７に向かうにつれて、転位量が減少するとすればよい。第１歯車２１は、軸方向内方の端面Ｐ２から軸方向外方の端面Ｐ１に向かうにつれて、転位量が増加するとすればよい。第２歯車２２も、軸方向内方の端面Ｐ３から軸方向外方の端面Ｐ４に向かうにつれて、転位量が増加するとすればよい。

また図１に示されているように、第１歯車２１には貫通孔２５が形成され、第２歯車２２にも貫通孔２６が形成されている。貫通孔２５と貫通孔２６とは、その中心軸を共有する対として第１歯車２１及び第２歯車２２の周方向に沿って形成されているとすればよい。そして中心軸を共有する対である貫通孔２５と２６とに挿入されて棒状部材２３が配置されている。棒状部材２３は、図示上部と下部とにそれぞれ径が大きい頭部２３ａ、２３ｂを有する。そしてばね２４が頭部２３ａと第１歯車２１との間に配置されている。

ばね２４は弾性復元力によって、第１歯車２１と第２歯車２２との間の距離を小さくする方向に力を生じさせる。これによって第１歯車２１が駆動側歯車１１を押し、第２歯車２２も駆動側歯車１１を押す。これによって上記歯車間はバックラッシの抑制された噛み合い状態となる。そしてそれに対する反作用として、駆動側歯車１１が第１歯車２１、第２歯車２２を押し返す。

これらの作用、反作用のベクトルが図１に示されている。図示のとおり、軸方向に対して斜め方向に、駆動側歯車１１が第１歯車２１、及び駆動側歯車１１が第２歯車２２は押し合う。

従来例を示す図２と比較すると、図２の場合には第２歯車に相当する歯車がないので、２つの歯車はそれぞれ斜め方向の力を受ける。一方で本発明の図１の場合、駆動側歯車１１と第１歯車２１とが押し合う力及び、駆動側歯車１１と第２歯車２２とが押し合う力が図示上下対称となる。したがって、両者が合成されると上下方向の力は存在せず、歯車装置１に及ぼされる合成力は図示左右方向の力となる。

こうした回転機構にとって斜め方向の力は一般に対処が難しく、図２の場合斜め方向の力が持続的に作用することによって、歯車装置１ｂの歯車や軸が変形する可能性がある。また（図示しない）軸受への斜め方向の力による想定外の摩擦により、駆動力伝達の効率が低下する可能性がある。それに対し図１の場合には、作用する力が軸直交方向に限定されるので、例えば軸が水平方向のときの重力の作用と同等であり、例えば軸受などがこうした作用のもとで機能することは相対的に容易である。

さらに図１で歯先円１１ａ、２１ａ、２２ａ、歯底円１１ｂ、２１ｂ、２２ｂの径の軸方向距離に対する変化率を変える場合が図３、図４に示されている。ここで変化率とは、歯先円１１ａ、歯底円１１ｂに関しては軸方向中心面Ｐ６からの軸方向距離に対する歯先円１１ａ、歯底円１１ｂの径の減少率とする。また歯先円２１ａ、歯底円２１ｂに関しては、軸方向内方の端面Ｐ２からの軸方向距離に対する歯先円２１ａ、歯底円２１ｂの径の増加率とする。歯先円２２ａ、歯底円２２ｂに関しては、軸方向内方の端面Ｐ３からの軸方向距離に対する歯先円２２ａ、歯底円２２ｂの径の増加率とする。

図３（ａ）よりも歯先円１１ａ、歯底円１１ｂの径の減少率、歯先円２１ａ、歯底円２１ｂの径の増加率、歯先円２２ａ、歯底円２２ｂの径の増加率を増した場合が図３（ｂ）に示されている。図示のとおり図３（ｂ）では歯先円１１ａ、２１ａ、２２ａ、歯底円１１ｂ、２１ｂ、２２ｂが軸１０，２０により直交する方向となっている。このとき、駆動側歯車１１と第１歯車２１とが押し合う力及び、駆動側歯車１１と第２歯車２２とが押し合う力の方向がより軸方向に近づく。図３（ａ）、（ｂ）にはその様子がベクトルで示されている。

上記押し合う力の大きさが同じ場合、押し合う力の方向がより軸方向に近づく程、その合成力（上述のように軸直交方向）は小さくなる。図４（ａ）、（ｂ）には、その様子が示されている。以上より結局、図１の本発明の場合、歯先円１１ａ、歯底円１１ｂの径の減少率、歯先円２１ａ、歯底円２１ｂの径の増加率、歯先円２２ａ、歯底円２２ｂの径の増加率を増すと、駆動側歯車１１と第１歯車２１、第２歯車２２とが十分大きな力で押し合っていても、歯車装置１の他の部位に作用する力は小さくできる。

この状況をより直感的に述べれば、第１歯車２１と第２歯車２２とによって駆動側歯車１１を挟持することにのみに力が用いられ、他の部位には影響が及ばない状況である。したがって、バックラッシの抑制のために付加した弾性力が、軸や軸受や歯車などに悪影響を及ぼさない歯車装置とできる。

本発明における歯車装置の軸方向断面図。 従来の歯車装置の軸方向断面図。 歯先円の径の減少率を変更した場合を示す図。 力の合成を示す図。

符号の説明

１、１ｂ 歯車装置
１０ 軸
１１ 駆動側歯車
２０ 軸
２１ 第１歯車
２２ 第２歯車
２３ 棒状部材
２４ ばね（弾性部材）
２５，２６ 貫通孔

Claims (3)

1. 駆動力を得て回転する駆動側歯車と、その駆動側歯車の軸と平行な軸を有し、前記駆動側歯車と噛合することで回転力が付与されて回転する従動側歯車とを有する歯車装置であって、
   前記従動側歯車は、軸方向に併置されて軸方向に個々に移動可能な第１歯車と第２歯車とよりなり、
   前記駆動側歯車において、軸方向に関する中心にあり軸と直交する平面である軸方向中心面から軸方向外方の端面に向かうにつれて歯先円の半径が減少し、
   前記第１歯車において、第２歯車に対向する端面から軸方向外方の端面に向かうにつれて歯先円の半径が増加し、
   前記第２歯車において、第１歯車に対向する端面から軸方向外方の端面に向かうにつれて歯先円の半径が増加し、
   前記第１歯車と前記第２歯車とを、前記第１歯車と前記第２歯車との間隔を減少させる方向へ付勢する弾性部材を備え、
   前記第１歯車と前記第２歯車とが前記駆動側歯車を軸方向から挟持して、前記第１歯車と前記駆動側歯車とが噛合し、前記第２歯車と前記駆動側歯車とが噛合することを特徴とする歯車装置。
2. 前記第１歯車と前記第２歯車とに軸方向に形成された貫通孔と、
   その第１歯車の貫通孔と第２歯車の貫通孔に挿入されて配置された棒状部材とを備え、
   その棒状部材の長さ方向両端部には、径が増加された頭部が形成され、
   前記弾性部材は、前記頭部と前記第１歯車の端面との間あるいは前記頭部と第２歯車の端面との間に配置されたばねである請求項１に記載の歯車装置。
3. 前記駆動側歯車において、前記軸方向中心面から軸方向外方の端面に向かうにつれて転位量が減少し、
   前記第１歯車において、第２歯車に対向する端面から軸方向外方の端面に向かうにつれて転位量が増加し、
   前記第２歯車において、第１歯車に対向する端面から軸方向外方の端面に向かうにつれて転位量が増加する請求項１または２に記載の歯車装置。

Images