JP4088842B2

JP4088842B2 - 円弧歯形を使用した歯車及び内接歯車式ポンプ、歯車伝達装置、歯車製造法

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Publication number: JP4088842B2
Application number: JP2006172806A
Authority: JP
Inventors: 実平田
Original assignee: 実平田
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2026-06-22
Also published as: JP2007032836A

Description

本発明は、円弧歯形を使用した歯車、この歯車を利用した内接歯車式ポンプ、歯車伝達装置及び歯車の製造方法に関する。

従来、円弧歯形を持つ歯車としては、ウイルトハーバー・ノビコフ歯車（ＷＮ歯車）が有名であり、各種分野において円弧歯形に関する研究開発が進められ円弧歯形として、あるいは円弧と他の曲線を組み合わせた歯形として各種歯車へ応用されている。前記の歯形は、内接歯車式ポンプの歯車、自動車のステアリング装置のラックアンドピニオン、減速装置の歯車、歯付ベルトの歯等の歯として用いられている。

内接歯車式ポンプにはトロコイド歯形を使用した歯車を歯車ポンプへ使用することが多くあるが、トロコイド歯形の代わりに複数の円弧を組み合わせ、円弧歯形として内接歯車式ポンプの歯車として用いるものもある。
特許公開平１１-９４０５２特許公開平１０-２０５４５８

サイクロ(登録商標)減速機に使用される歯車の歯形としては、一般的にサイクロイド歯形を使用したサイクロイド歯車や円弧歯形、トロコイド歯形を使用した歯車が装置の構成要素として多く用いられている。
特許公開２００３-２７８５１１特許公開平０５-２９６３０１

従来から使用されている円弧歯形を持った歯車の歯形曲線は複雑な理論式の基で算出されたものが多く、歯形形状も複数の円弧や曲線を組み合わせて一つの歯形曲線としているものが多くある。これらの歯形曲線を理解するには大変な努力を要する場合がある。単純な形状の歯形を持ち、簡単な計算式にて歯車の主要部分が求まり、簡単に歯形形状の作図が可能となる歯車が必要とされる。本発明の請求項１の歯車は、前述のことを鑑みて考案したものであり、これらを満足する歯車を提供するものである。ここで、特許請求の範囲および明細書に記載している用語について説明することにする。歯車に関する専門用語は、慣例的に用いられる用語や専門書により表現が異なるものもあるので、本出願文においては、下記の様に定義して使用している。
外歯車円筒歯車であり、平歯車のように外側に歯が配置されているもの。
外接歯車本出願文においては、内接歯車式ポンプの外歯車として使用する時に用いている。
内接歯車本出願文においては、内接歯車式ポンプの内歯車として使用する時に用いている。
歯車伝達装置歯車を一対以上使用して構成される装置、減速装置、増速装置、変速装置などの歯車を使用して構成する動力伝達装置を示す。
円弧半径Ｒ外歯車においては歯先面の歯形形状である円弧の半径（Ｒ）であり、内歯車においては歯底面の歯形形状である円弧の半径（Ｒ）を円弧半径Ｒとして定義している。請求項１の歯車の歯の大きさを表す単位として使用している。（インボリュート歯車に於けるモジュールｍに相当）
オフセット基の図形を等間隔に平行移動させることである。

従来から使用されている内接歯車式ポンプにはトロコイド歯形を使用したトロコイドポンプが多く使用されている。このトロコイド歯形を持った歯車を内接歯車式ポンプに使用した場合、外接歯車の歯先円直径がその歯車の歯数と、設計上の偏心量、基礎円直径、転円直径、軌跡円直径により決定される。逆に、外接歯車の歯先円直径を固定して偏心量を決めようとすると、偏心量の設定に自由度がなく、吐出量を大きくすることが出来ない問題点がある。理論吐出量は偏心量が大きくなるにつれて増加するため、吐出量を増やすには、偏心量の設定に自由度を与える必要がある。歯車の大きさを含めて偏心量の設定に自由度のある内接歯車式ポンプが必要とされる。前述のことを鑑みて、これらの要件を満たす内接歯車式ポンプを提供するものである。

内歯車としては、多くはインボリュート歯形を持った歯車が多く使用されている。しかしながら、内歯車を使用した装置においては、外歯車による歯車列の構成よりも、歯の干渉による噛み合い歯数の制限により、装置自体が大型化する問題点がある。また、サイクロイド歯形やトロコイド歯形を持った歯車が各種の歯車装置に使用されているが、これらの歯車を使用して歯車装置を設計する場合には、いずれも複雑な理論式の基で設計しなければならないことがある。簡単な歯車計算式の基で設計可能な歯車であり、歯の干渉は少なく、噛み合い歯数の制限が少なく、装置自体を省力化することが可能となる歯車及び歯車装置が必要とされる。前述のことを鑑みて、これらの要件を満たす歯車及び歯車装置を提供するものである。

円弧歯形を持つ歯車は、複数の円弧や曲線を組み合わせた歯形曲線を持つものが多くある。これらの歯車を製造するには、歯形曲線が複雑になればなるほど専用工具や専用工作機械が必要となる。また、ＮＣ工作機械を使用してインボリュート曲線、サイクロイド曲線、トロコイド曲線などの歯形曲線を含む歯車を加工する場合は、ＮＣデータは微小距離が連続した直線、つまり、近似曲線として算出され、微小距離の連続した直線切削指令にて歯切りされる。この場合、非常に多くのデータ容量を必要とすると共に切削加工時間が長くなる欠点がある。前述の問題点は、歯形曲線を複数の円弧で構成することにより解決されると思われる。ＮＣデータは円弧切削指令にて出力され、直線切削指令より大幅にデータ容量は少なくて済む利点がある。前述のことを鑑みて、これらの問題点を解決すべき歯車製造法を提供するものである。

従来から使用されているサイクロ減速機（登録商標）の構造は、遊星歯車として曲面坂に内ピンが挿入される穴を数個配置し、外周にはサイクロイド歯形を持つサイクロイド歯車を使用しているものが多くあり、この遊星歯車は太陽歯車である外ピンとかみ合いをしている。また、出力軸側は遊星歯車に配置された穴に合せて内ピンを軸側に固定して配置し、内ピンの回転比を減速比として取り出している減速機が一般的に多くある。前記の減速機は、内ピンおよび外ピンの位置精度や寸法精度が要求される。また、内ピン、外ピンを含めた一体とした部品構成ではないので、強度的に劣る構成となる問題点がある。この装置の保守的な面に於いても、構造が複雑で部品数が多くあるので分解、組み立てに於いては正確さや精密さを要すことになる。前述のことを鑑みて、これらの問題点を解決すべき減速機を提供するものである。

請求項1の発明は、外歯車の歯先面の歯形形状は基準ピッチ線上を中心とした円弧半径Ｒの円弧で形成され、歯底面の歯形形状は基準ピッチ円と隣り合う歯先面の歯形形状である円弧半径Ｒの２つの円とに外接する３接円の円弧で形成され、外歯車の歯形は前記歯先面の歯形形状の円弧と前記歯底面の歯形形状の円弧が接する関係で接続された曲線であり、内歯車の歯底面の歯形形状は基準ピッチ線上を中心とした円弧半径Ｒの円弧で形成され、歯先面の歯形形状は基準ピッチ円と隣り合う歯底面の歯形形状である円弧半径Ｒの２つの円とに外接する３接円の円弧で形成され、内歯車の歯形は前記歯底面の歯形形状の円弧と前記歯先面の歯形形状の円弧が接する関係で接続された曲線であり、前記のそれぞれの歯形を持った外歯車と内歯車である。

請求項２の発明は、ハウジング内に回転自在に装着された請求項1に記載の歯車の歯形形状を持った内接歯車と、前記内接歯車内に偏心して配設された請求項1に記載の歯車の歯形形状を持った外接歯車とを備え、両歯車が互いにかみ合いして回転しこれら両歯車間に流体を吸入・吐出する内接歯車式ポンプであって、前記内接歯車は、前記外接歯車よりも1歯多い歯数を有し、両歯車がお互いに最も深くかみ合う部分の反対側で両歯車の歯先同士が摺動する内接歯車式ポンプである。

請求項３の発明は、請求項１に記載した歯車を含む、複数の歯車で構成された歯車伝達装置である。

請求項４の発明は、請求項１に記載の歯車の歯形を持った歯切り専用工具による創成歯切り法、請求項１に記載の歯車の歯形に成形した工具による成形歯切り法、請求項１に記載の歯車を造形する方法、並びにＮＣデータ作成による加工プログラムからＮＣ工作機械による製造法、前記のいずれかの方法により請求項１に記載の歯車を製造する方法である。

請求項５の発明は、入力側は、偏心量ｅで設定される偏心軸１４１と、１枚差でかみ合う請求項２の内接歯車式ポンプの機構を持った外歯車１４７と内歯車１４８と、前記の１対の歯車を内含して偏心量ｅで揺動する遊星歯車である外歯車１４３と、前記の外歯車１４３とかみ合い減速機のケーシングに歯切りされ太陽固定歯車である内歯車１４４とを有し、出力側は、前記の外歯車１４３と同軸上で一体として反対側に歯切りされた外歯車１５１と、前記の外歯車１５１とかみ合う出力軸側に歯切りされた内歯車１５２と、出力軸を有する複数の歯車で構成された減速機である。

請求項1に記載の歯車は円弧歯形を持つ歯車であり、歯の大きさは外歯車においては歯先面の歯形形状である円弧の半径Ｒ（以下、円弧半径Ｒと定義する）また、内歯車においては歯底面の歯形形状である円弧半径Ｒで表される。円弧半径Ｒは任意の値を設定することが可能であり、この値と歯数により歯車の大きさが決定することになる。一対の歯車が噛み合う条件は円弧半径Ｒが同じ値になることが条件となる。この円弧半径Ｒはインボリュート歯車のモジュールに相当するものである。モジュールと比較すれば、歯の大きさが測定可能な実測値として表現される利点があり、円弧半径Ｒは歯車装置の大きさにより任意に設定することが可能となる。更に、インボリュート歯車と比較すれば、噛み合いが滑らかであり、振動が少なく歯部の強度が大となる。また、歯と歯の干渉がないに等しい。少数枚数の歯の組み合わせから歯車列を構成できる特徴を有する。

請求項２に記載の内接歯車式ポンプは請求項1の歯車を使用した内接歯車式ポンプである。円弧半径Ｒの値により、極小サイズの歯車列の組み合わせから任意のサイズの組み合わせまで用途により、幅広く選択が可能となる特徴がある。更に、外接歯車１枚歯、内接歯車２枚歯組み合わせから任意枚数の歯車構成の設定が可能となる。偏心量ｅは円弧半径Ｒの１/２となり、トロコイドポンプと比較すれば、偏心量を簡単に求めることができ、ポンプの吐出量の設定が容易となる特徴がある。

請求項３の歯車伝達装置は、請求項1の円弧歯形を持つ歯車を使用して構成された歯車装置である。サイクロ減速装置の歯車としても使用することが可能であり、従来から使用されているサイクロ減速装置と比較すれば、歯車設計の容易さおよび円弧半径Ｒの設定の自由度から、装置自体の設計の幅に自由度を持たすことが可能となり、大きな減速比を持った装置を設計することが可能となる。更に、装置の軽量化にも繋がってくる。また、請求項１の歯車を内歯車と外歯車の構成にて動力伝達用にも使用が可能であり、少数歯数の歯車列を構成すれば装置自体の軽量化を図ることが可能となる。減速、増速、変速装置や他の歯車を使用した動力伝達装置にも用途を広げることができる。

請求項４の歯車を製造する方法の１つとして、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置を使用して歯車のＮＣデータ作成からＮＣ工作機械による歯切り加工がある。インボリュート曲線やサイクロイド曲線、トロコイド曲線と異なり、歯形曲線が円弧なのでＮＣデータの容量を少なく抑えることが可能であり、加工時間を短縮できる特徴を有している。また、請求項１に記載の歯形を有する専用切削工具（ホブ、ピニオンカッター、ラックカッターやフライスカッター）を使用して加工する創成歯切り法がある。また、請求項１に記載の歯車の歯形に成形した工具（フライスカッター、研削砥石）による成形歯切り法がある。請求項１に記載の歯車の歯形は、歯の大きさを円弧半径Ｒで表すことが可能であり、同じ円弧半径Ｒを持つ歯車であれば、お互いに噛み合う特徴を有する。従ってそれらの歯車を製造する場合は、円弧半径Ｒごとに歯切り専用工具あるいは成形工具を準備するだけでその種の歯車の量産が可能となる特徴を有する。

請求項５の減速機は、請求項１の歯車を含む、複数の歯車で構成される減速機であり、通常使用されているサイクロ減速機に比較すれば部品数が少ないという特徴を有している。内ピンおよびピン穴、外ピンを無しにして遊星歯車となる部分を一体化して外歯車、内歯車を配置した構成をとっていることを特徴としている。従って、分解、組み立てが容易で保守点検がし易い利点を有している。更に、組み立てに於いては、軸および歯車が任意の位置で組み立つという利点を有している。

表１は本発明の請求項１の歯車の歯形曲線を作成する基礎となる計算式の一覧表である。円弧を組み合わせた歯形曲線なので、歯車計算が簡単であり、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置による歯形曲線の作図、歯車加工データ作成、解析が容易にできることとＮＣ加工データ容量が小さくなり、加工時間を短縮することが出来る特徴を有する。また、本発明の請求項１の歯車の特筆すべき点は、円弧半径Ｒを歯の大きさを表す単位にしていること（インボリュート歯車はモジュールを使用している）であり、更に、請求項1に記載のごとく外歯車においては歯底面の歯形形状が各々の円の３接円弧で形成されること及び内歯車においては歯先面の歯形形状が各々の円の３接円弧で形成されることにより、この歯形曲線を使用した歯車の各々の歯の噛み合いをなめらかにしていることが最大の特徴である。歯の大きさを表す円弧半径Ｒの値により、任意の歯数、任意の大きさの歯車の設計が可能になる。表1から得られたデータを基に作成した図が、図１から図１６までの作図データである。図１から図１０及び図１６は、内接歯車式ポンプ用の歯車として用いた場合の外接歯車、内接歯車の作図例と内接歯車式ポンプの歯車構成図である。基本的には外接歯車１枚歯と内接歯車２枚歯組み合わせから内接歯車式ポンプの歯車構成が可能となる特徴を有する。また、図１０に示すように外接歯車、内接歯車をそれぞれのピッチ円直径の中心を基にして、同じ方向へ同じオフセット量にて歯形曲線を平行移動させることにより、歯車サイズの調整が可能となり吐出量を調整することが可能となる。図１１、図１２は請求項１に記載の歯車を歯車伝達装置の内歯車と外歯車の歯車列として構成した図である。かみ合わせ歯数による最小歯数制限（歯と歯の干渉による組み合わせ歯数制限）がないので任意の歯数の組み合わせが可能となる。前述の如く歯車サイズは円弧半径Ｒと歯数ｚにより自在に設計が可能となる。表２、表３、図１３、図１４、図１５は本発明の請求項１の歯車をサイクロ減速機に応用した改良型減速機の歯車として実施した例を示す。以下、本発明の実施形態を表１から表３、図１から図１６に基づいて説明する。

表１は、本発明の請求項１の歯車の基本計算式を内接歯車式ポンプの外接歯車と内接歯車を例として示したものである。円弧半径Ｒ、歯数ｚを基に外接歯車（１）と内接歯車（２）のピッチ円直径ｄ、歯先円直径ｄａ、歯底円直径ｄｆ、偏心量ｅを算出する。尚、本発明の請求項１の歯車の大きな特徴の一つであるが、外接歯車（1）に関しては、ピッチ円直径ｄ1と歯底円直径ｄｆ1が等しい関係になる。また、内接歯車（２）関してはピッチ円直径ｄ２と歯先円直径ｄａ２が等しい関係になる歯形を形成している。また、外接歯車の歯形形状と内接歯車の歯形形状は、円弧半径Ｒと歯数が同じであれば、同一歯形形状となる。３６０度(１円)を各々の歯車の歯数ｚで割った角度を歯数分割角度αと定義することにする。以下、歯数分割角度αと表示することにする。表1で求めた基本データにより、ＣＡＤソフトを使用して図１に示す歯形曲線の作図をする。本発明の請求項１の歯車の歯形曲線は、形状が単純なので汎用ＣＡＤソフトにて容易に作図が可能である特徴を有している。計算例は円弧半径Ｒを１として、外接歯車歯数ｚ１が５枚、内接歯車歯数ｚ２が６枚の計算例を示す。

図１は、表１の計算例にある外接歯車（1）を基にした歯形曲線の作図例である。水平中心線1ｕ、垂直中心線1ｖを作図する。次に歯数分割角度α1にて垂直中心線1ｖより左回り角度で、交点ｏ１をと通る中心線1ｗを作図する。交点ｏ１を中心としてピッチ円d１１と歯先円da１１を作図する。次に、ピッチ円d１１と垂直中心線1ｖと中心線１ｗの交点ｏ１１,と交点ｏ1２を中心とした円弧半径（Ｒ）１の円１１，円１２を作図する。前記の円１１，円１２、ピッチ円ｄ１１に外接する３接円１３を作図する。作図された円１１の円弧１ａ、１ｂと３接円の円弧1ｂ、1ｃと円１２の円弧1ｃ、1ｄを接続すれば、歯形曲線の一部が作図される。この歯形曲線をｏ１を中心として歯車の歯数値（５）ほど回転複写をすれば外接歯車の歯形曲線ｓ１が作図される。

図２は、表１の計算例の内接歯車（２）を基にした歯形曲線の作図例である。水平中心線２ｕ、垂直中心線２ｖを作図する。次に歯数分割角度α２にて垂直中心線２ｖより左回り角度で、交点ｏ２をと通る中心線２ｗを作図する。交点ｏ２を中心としてピッチ円d２２と歯底円dｆ２２を作図する。次に、ピッチ円d２２と垂直中心線２ｖと中心線２ｗの交点ｏ２１,と交点ｏ２２を中心とした円弧半径（Ｒ）１の円２１，円２２を作図する。前記の円２１，円２２、ピッチ円ｄ２２に外接する３接円２３を作図する。作図された円２１の円弧２ａ、２ｂと３接円２３の円弧２ｂ、２ｃと円２２の円弧２ｃ、２ｄを接続すれば、歯形曲線の一部が作図される。この歯形曲線をｏ２を中心として歯車の歯数値（６）ほど回転複写をすれば内接歯車の歯形曲線ｓ２が作図される。

図３は表1の計算式を基にして作図した図１の外接歯車（１）と図２の内接歯車（２）を組み合わせた内接歯車式ポンプの構成図である。
ｅは偏心量を示す。外接歯車歯数５枚の歯形曲線ｓ1と内接歯車歯数６枚の歯形曲線ｓ２のかみ合いを示す。入力軸を介して外接歯車（１）へ動力が伝達される。外接歯車（１）はｏ１を中心として回転をする。内接歯車（２）は外接歯車（１）とかみ合いながらｏ２を中心として同じ方向へ回転し、これら両歯車間に流体を吸入・吐出する内接歯車式ポンプであって、前記内接歯車は、前記外接歯車よりも1歯多い歯数を有し、両歯車がお互いに最も深くかみ合う部分の反対側で両歯車の歯先同士が摺動する内接歯車式ポンプである。偏心量ｅは表１の計算式の通り円弧半径Ｒ/２で簡単に求められることを最大の特徴としている。また、外接歯車と内接歯車の歯数の組み合わせは、最小枚数１枚歯と２枚歯組み合わせから可能である。

図4は本発明の請求項１の歯車である歯形曲線の解析図の例を示す。図（ａ）は図１の外接歯車（１）の歯形曲線ｓ１の１枚歯分の歯形曲線ｓ11と図２の内接歯車（２）の歯形曲線ｓ２の１枚歯分の歯形曲線ｓ２２がそれぞれｏ１及びｏ２を中心点としてかみ合っている状態を示している。図（b）は図（ａ）を初期状態として、外接歯車(５枚)と内接歯車(６枚)の歯数比５：６の逆比（６：５）の回転角にて左回りに回転させ、それぞれの歯形曲線ｓ1１、ｓ２２の各回転角におけるかみあい軌跡を図示したものである。歯形曲線ｓ1１はｏ１を中心として６度ごとに１８０度まで回転させたものであり、歯形曲線ｓ2２はｏ２を中心として５度ごとに１５０度まで回転させてかみ合い状態を解析したものである。更に、それぞれの回転角度に置けるお互いの歯の干渉を分析したものである。それぞれの回転角度に於けるかみ合い状態を解析した結果、歯と歯による干渉もなく、それぞれの歯の遅れや進み現象もなく、ころがり接触をしていると推測される。

図５は、外接歯車1枚歯と内接歯車２枚歯の各歯車とこれらの歯車を使用した内接歯車式ポンプの構成図を示す。本発明の請求項１の歯車を使用した最小枚数の組み合わせ図である。図（ａ）は外接歯車1枚歯を示す。表１より、ｄ１は外接歯車のピッチ円直径，ｄａ１は歯先円直径である。本発明の請求項１の歯車の定義からすれば、歯形曲線の作図において１枚歯の場合は、３接円で求める歯形の円弧部の作図は不可能であるため、１枚歯歯形曲線ｓ1はｏ１を中心として回転する円弧半径Ｒの円として定義することにする。図（ｂ）は内接歯車２枚歯を示す。表1よりｄ２は内接歯車のピッチ円直径、ｄｆ２は歯底円直径である。２枚歯の場合は、２つの円弧半径Ｒの円の中心とピッチ円の中心が同一直線上にあるため、３接円で求める歯形の円弧部は、前記３つの円の接線となる。図（ｃ）は外接歯車１枚と内接歯車２枚を組み合わせた内接歯車式ポンプの構成図である。入力軸を介して歯形曲線ｓ１の外接歯車はｏ１を中心として回転をする。外接歯車が回転をすれば、それにかみ合っている歯形曲線ｓ２の内接歯車はｏ２を中心として同方向へ回転をする内接歯車式ポンプである。偏心量ｅと円弧半径Ｒを多様に設定すれば、回転往復式ポンプや内燃機関にも応用は可能となる。

以下、表１の計算式を基にして作図した実施例を下記に示す。円弧半径Ｒは１とする。
図６は外接歯車２枚歯と内接歯車３枚歯の内接歯車式ポンプの構成図である。
図７は外接歯車３枚歯と内接歯車４枚歯の内接歯車式ポンプの構成図である。
図８は外接歯車４枚歯と内接歯車５枚歯の内接歯車式ポンプの構成図である。
図９は外接歯車６枚歯と内接歯車７枚歯の内接歯車式ポンプの構成図である。
本発明の請求項１の歯車を使用すれば、内接歯車式ポンプは外接歯車と内接歯車の歯数を１枚差にすることを条件として、任意枚数の歯車組み合わせが可能となる特徴を有する。

表１及び図１と図２で説明した外接歯車及び内接歯車の歯形曲線を標準歯形曲線とすれば、図１０に示す歯形曲線は標準歯形曲線に対してオフセットして変形させた歯形曲線である。オフセットとは等間隔に平行移動させることである。但し、1組の歯車として正確なかみ合いを保つ為には、外接歯車の歯形曲線と内接歯車の歯形曲線は同じオフセット量で同じ方向にて処理しなければならない制限がある。オフセットが可能な範囲は円弧半径Ｒの数値により決定される。オフセット値をＦとすればＦは＋1.32Ｒから−Ｒの範囲で可能となる。図10は、外接歯車の歯数4枚、内接歯車の歯数５枚組み合わせの内接歯車式ポンプの構成図であり、円弧半径Ｒは１である。オフセット値０は標準歯形曲線を示す。標準歯形曲線に対してそれぞれプラス側とマイナス側へオフセットさせた図である。標準歯形曲線を使用した歯車で構成される内接歯車式ポンプを基にして、オフセットした歯形曲線を使用した歯車でポンプを構成すれば、装置の大きさの調整や吐出量の調整が可能となる特徴がある。つまり、内接歯車式ポンプの設計に多少の自由度を持たせることが可能となる。

図11の図（ａ）は、外歯車歯数３枚と内歯車歯数８枚の外歯車と内歯車のかみ合い関係を示す図である。本発明の請求項１の歯車を使用して、歯車伝達装置の歯車列として実施した例である。図（ｂ）は外歯車歯数５枚と内歯車歯数１０枚の構成図である。図１２は外歯車歯数１０枚と内歯車歯数５０枚の構成図である。表１の歯車の基本計算式から各々の歯形曲線を作図する。表１の外接歯車（１）の式を外歯車の計算式として、内接歯車（２）の式を内歯車の計算式として使用する。中心距離ｃは,ｃ=（ｄ2-ｄ1）/２で求めることが出来る。入力軸を介して歯形曲線ｓ１の外歯車がｏ１を中心として回転する。それにかみ合っている歯形曲線ｓ２の内歯車がｏ２を中心として同方向へ回転する歯車伝達装置である。かみ合う条件は円弧半径Ｒが同じであることが条件となる。小数歯数歯車の組み合わせから任意歯数歯車の組み合わせまで速度比に応じて、任意の歯車と任意の歯車列を設計することが可能となる。減速機の実施例として、図１３、図１４、図１５に減速機の構成図を示す。

図１３は、本発明の請求項１の歯車を使用した減速機の構成図を示す。左図がケーシングカバー１３８を取り除いた時に見える各々の歯車の構成図である。右図は減速機の組み立て断面図を示す。機構的な原理は、サイクロ減速機のしくみを応用したものである。この減速機は、本発明の請求項1の歯車を使用して構成されている。サイクロイド歯形は全く使用していない。円弧歯形のみ使用した歯車で構成した減速機である。表２に各歯車の基本データを示す。動力の伝達は入力軸１３１（偏心量ｅの偏心軸）から軸受け１３２（または、ローラーピン）を介して遊星歯車である外歯車１３３に伝達される。この外歯車１３３には、内ピン１３６が接触するピン穴が６個設けてある。外歯車１３３は固定太陽歯車１３４（ケーシング本体１３７に内歯車が歯切りしてある）とかみ合いながら自転をする。外歯車１３３が自転をすれば、６個のピン穴に接触している６個の内ピン１３６も同時に回転をする。内ピンは内ローラー１３５に固定されていて出力軸となる。表２より、遊星歯車である外歯車１３３の歯数ｚ１＝２０枚で、太陽歯車である内歯車１３４の歯数ｚ２＝２１枚なので、この減速機の減速比 i＝（z２-ｚ１）/z１の式により、１/２０の減速比となる。円弧半径Ｒと歯車の歯数の設定により、減速装置の大きさや減速比は任意に設定が可能となる特徴がある。尚、外歯車１３３と内歯車１３４は１枚差の歯車であり、内接歯車式ポンプの歯車構成を応用したものである。また、前記減速機に使用する歯車は、外歯車と内歯車が機能的に噛み合いをするならば、トロコイド曲線、サイクロイド曲線を含む他の歯形曲線を持った歯車でも前記の減速機の歯車として使用することは可能であると推測される。

図１４、図１５は図１３の減速機を基にした改良型減速機である。図１４（ａ）は入力軸側の各々の歯車の構成図を示す。図１４（ｂ）は出力軸側の歯車の構成図を示している。図１５は改良型減速機の組み立て断面図を示す。表３に各歯車の基本データを示す。内ピン及びピン穴を無しにして、外歯車と内歯車の構成だけにしたものである。動力の伝達は入力軸１４1(偏心量ｅの偏心軸)から軸受け１４２（またはローラーピン）を介して第1遊星歯車である外歯車１４7に伝達され、第２遊星歯車１４5の内歯車１４８とかみ合うと同時にその外歯車１４３は固定太陽歯車144(入力軸側ケーシングカバーに内歯車を歯切り)にも噛み合うことになる。尚、第２遊星歯車１４5には、３個の歯車が一体として歯切りされている。入力軸側の内歯車148及び固定太陽歯車に噛み合う外歯車143と出力軸側の外歯車151である。第２遊星歯車は揺動しながら、出力軸15３に歯切りされている内歯車15２と噛み合いながら出力軸へ動力が伝達される。第１遊星歯車の外歯車１４7と第２遊星歯車１４５の内歯車148が図１３の減速機の６個の内ピンと６個のピン穴に相当する機能を分担していることになる。この減速機の場合は、第１遊星歯車の外歯車１４7とそれにかみ合う第２遊星歯車の内歯車１４8の歯数比は減速比には関係しない。第２遊星歯車の外歯車１４3と固定太陽歯車144との歯数比及び出力軸側の外歯車１５１と内歯車１５２の歯数比がこの減速機の減速比に関係する。減速比を式にて説明すると次のようになる。減速比ｉ＝（ｚＢ-ｚｂ）/ｚｂ×（ｚｂ-ｚｄ）/ｚＤとなる。ｚｂは外歯車１４３の歯数であり、ｚＢは内歯車１４４の歯数、ｚｄは外歯車１５１の歯数、ｚＤは内歯車１５２の歯数を示す。実施例４の減速機は表３より減速比ｉ＝１/８５となり、大きな減速比を得ることができる。前記の減速比の式において、分子の歯車の歯数差が１に近い値になることと、分母の歯車の歯数が多いほど大きな減速比が得られる。また、減速比ｉの値が正の値の時は、入力軸と出力軸の回転方向は同方向になる。減速比ｉの値が負の値の時は、入力軸と出力軸の回転方向は反対方向になる。歯車の歯数及び円弧半径Ｒの設定により、更に大きな減速比を得ることが可能であると推測される。
上述の様に円弧半径Ｒと歯車の歯数の設定により、減速装置の大きさや減速比は任意に設定が可能となる特徴がある。更に、機構的には内接歯車式ポンプの機構を応用しているので、減速装置への潤滑を自給させる機能を持たせることも可能となる特徴を有している。前記の減速装置に使用する歯車は、この減速装置の構成と機能が果たせるのであれば、前記減速装置に用いられる外歯車と内歯車の歯車は、インボリュート歯車やトロコイド曲線を歯形にした歯車、サイクロイド曲線を歯形にした歯車、または他の歯形曲線で形成される歯車を使用して減速装置の歯車として使用することも可能であると推測される。

図16は、歯形曲線ｓ１の外接歯車１枚と歯形曲線ｓ２の内接歯車２枚を使用した内接歯車式ポンプの構成図（ａ）と、入力軸として使用する偏心軸（ｂ）を示す。図（ａ）において、外接歯車及び内接歯車の形状を決める基本計算は表１の式を使用している。図５の外接歯車１枚歯と内接歯車２枚歯と歯形曲線は同じである。異なる点は、図５の内接歯車式ポンプでは外接歯車の回転中心ｏ１が外接歯車のピッチ円の中心に設定しているが、図１５の内接歯車式ポンプでは外接歯車の回転中心ｏ１は、円弧半径Ｒの円の中心で設定している。図（ｂ）の入力軸である偏心軸が回転すれば、外歯車はｏ１を中心として自転しながら、偏心量ｅにてｏ２を中心として公転する遊星歯車の役割をなす。外接歯車とかみ合っている内接歯車は外接歯車の公転とともにｏ２を中心として同方向へ回転することになる。この内接歯車式ポンプの場合、偏心量ｅは0からＲ（Ｒは円弧半径）の範囲にて設定が可能となる特徴を有する。円弧半径Ｒを多様に設定すれば、回転往復ポンプや内燃機関にも応用は可能である。

本発明の請求項１に記載の歯車の歯形を持ったラックカッター、ピニオンカッター、ホブカッター、フライスカッター、前記のいずれかの工具を使用した方法による創成歯切り法、または請求項１に記載の歯車の歯形を持ったフライスカッター、研削砥石による成形歯切り法、並びにＮＣデータ作成による加工プログラムからフライスカッターによる成形加工法、放電加工機による加工法、射出成形機による成形加工法、鋳造法、前記のいずれかの方法で請求項１に記載の歯車を製造すれば、単品生産から多量生産まで広範囲な生産方法が設定できる。また、請求項１に記載の歯車を製造する方法の１つとして、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置を使用して歯車のＮＣデータ作成からＮＣ工作機械による加工がある。歯形曲線は複数の円弧だけを使用しているので、ＮＣデータは円弧切削指令が主とした内容になる。従って、ＮＣデータ容量は少なくてすみ、加工時間を短くする特徴がある。インボリュート歯車、サイクロイド歯車、トロコイド歯車などの曲線を使用した歯車の場合は、ＮＣデータとして出力されるデータは直線で補間された近似曲線としてデータ出力され、微小区間の直線切削指令が主となり、歯数に比例してデータ量が増加するとともに加工する時間も増加する欠点を持っている。また、請求項1に記載した円弧歯形を持った歯車は、複数の円弧で接続された歯形を持つ歯車であるが、ＮＣ工作機械にて歯切り加工される場合には、ＮＣデータは歯形曲線の近似曲線（直線が連続したもの、あるいは直線と円弧が連続して混在するも）として出力されることもある。従って、請求項１の歯車は複数の円弧で構成された歯形曲線ではあるが、その曲線に沿った近似曲線でもあると定義することができる。また、本発明の請求項１に記載の歯車の歯形形状を持った歯車は、上述のごとく歯車基本計算式は表１より算出され、外歯車は図１、内歯車は図２の例で示すとおり簡単に作図される特徴を有している。しかるに、実施例４で開示している減速機の遊星歯車部品（図１５の１４５第２遊星歯車）のごとく、ＮＣ加工データを利用すれば、１部品において外歯車や内歯車を容易に複数歯切り加工できる特徴を有する歯車である。減速装置を含む歯車伝達装置の軽量化、省力化に多いに貢献できるものと推測される。

本発明の請求項１の歯車は、内接歯車式ポンプの外接歯車、内接歯車を初めとして、減速機の歯車を含む歯車伝達装置の歯車として、広範囲にわたってその用途が可能となる。円弧半径Ｒの設定に自由度を持たせているので、自在に微小歯車から大歯車まで用途が広範囲に渡る特徴を有する。

本発明の外接歯車歯数５枚歯の歯形曲線を示す図である。本発明の内接歯車歯数６枚歯の歯形曲線を示す図である。本発明の外接歯車歯数５枚と内接歯車歯数６枚の内接歯車式ポンプの構成図を示す図である。本発明の外接歯車歯数５枚と内接歯車歯数６枚の歯形曲線かみ合い解析図を示す図である。本発明の外接歯車歯数１枚と内接歯車歯数２枚の内接歯車式ポンプの構成図を示す図である。本発明の外接歯車歯数２枚と内歯車歯数３枚の内接歯車式ポンプの構成図を示す図である。本発明の外接歯車歯数３枚と内接歯車歯数４枚の内接歯車式ポンプの構成図を示す図である。本発明の外接歯車歯数４枚と内接歯車歯数５枚の内接歯車式ポンプの構成図を示す図である。本発明の外接歯車歯数６枚と内接歯車歯数７枚の内接歯車式ポンプの構成図を示す図である。本発明の外接歯車歯数４枚と内接歯車歯数５枚の標準歯形曲線とオフセットした歯形曲線を示す図である。本発明の歯形曲線を使用した外歯車歯数３枚と内歯車歯数８枚歯の歯車列を示す図である。本発明の歯形曲線を使用した外歯車歯数１０枚と内歯車歯数５０枚歯の歯車列を示す図である。本発明の外歯車と内歯車を使用した減速機の組立図を示す図である。本発明の外歯車と内歯車を使用した改良型減速機の構成図を示す図である。本発明の外歯車と内歯車を使用した改良型減速機の組立図を示す図である。本発明の外接歯車歯数１枚と内接歯車歯数２枚の内接歯車式ポンプの構成図を示す図である。

符号の説明

1１ｏ１１を中心とした円弧半径１の円
１２ｏ１２を中心とした円弧半径１の円
１３外接歯車（1）の３接円
２1 ｏ２１を中心とした円弧半径１の円
２２ｏ２２を中心とした円弧半径１の円
２３内接歯車（２）の３接円
1ａ図１の交点
１ｂ図１の接点
１ｃ図１の接点
１ｄ図１の交点
２ａ図２の交点
２ｂ図２の接点
２ｃ図２の接点
２ｄ図２の交点
１ｕ図１の水平中心線
１ｖ図１の垂直中心線
１ｗ図１の歯数分割角度（α1）割り出し中心線
２ｕ図２の水平中心線
２ｖ図２の垂直中心線
2ｗ図２の歯数分割角度（α2）割り出し中心線
１３１図１３の入力軸
１３２図１３の軸受け
１３３図１３の外歯車
１３４図１３の内歯車
１３５図１３の内ローラー
１３６図１３の内ピン
１３７図１３のケーシング本体
１３８図１３のケーシングカバー
１４１図１４、図１５の入力軸
１４２図１４、図１５の軸受け
１４３図１４、図１５の外歯車
１４４図１４、図１５の内歯車
１４５図１４、図１５の第２遊星歯車
１４７図１４、図１５の外歯車
１４８図１４、図１５の内歯車
１５１図１４、図１５の外歯車
１５２図１４、図１５の内歯車
１５３図１５の出力軸
１５４図１５の入力軸側ケーシング
１５５図１５の出力軸側ケーシング
ｃ中心距離
ｄ1 外接歯車ピッチ円直径
ｄ11 外接歯車ピッチ円
ｄ２内接歯車ピッチ円直径
ｄ２２内接歯車ピッチ円
ｄａ１外接歯車歯先円直径
ｄａ１1 外接歯車歯先円
ｄｆ２内接歯車歯底円直径
ｄｆ２２内接歯車歯底円
ｅ偏心量
Ｆオフセット値
ｉ減速比
ｏ1 外接歯車中心点
ｏ２内接歯車中心点
ｏ１１図１の円弧半径の中心点
ｏ１２図１の円弧半径の中心点
ｏ２１図２の円弧半径の中心点
ｏ２２図２の円弧半径の中心点
Ｒ円弧半径
ｓ１外接歯車歯形曲線
ｓ２内接歯車歯形曲線
ｓ１１外接歯車歯形曲線（1枚歯形）
ｓ２２内接歯車歯形曲線（1枚歯形）
ｚ１図１３の減速機の外歯車１３３の歯数
ｚ２図１３の減速機の内歯車１３４の歯数
ｚｂ図14、図１５の減速機の外歯車１４３の歯数
ｚＢ図14、図１５の減速機の内歯車１４４の歯数
ｚｄ図14、図１５の減速機の外歯車１５１の歯数
ｚＤ図14、図１５の減速機の内歯車１５２の歯数
α1 外接歯車の歯数分割角度
α2 内接歯車の歯数分割角度

Claims

外歯車の歯先面の歯形形状は基準ピッチ線上を中心とした円弧半径Ｒの円弧で形成され、歯底面の歯形形状は基準ピッチ円と隣り合う歯先面の歯形形状である円弧半径Ｒの２つの円とに外接する３接円の円弧で形成され、外歯車の歯形は前記歯先面の歯形形状の円弧と前記歯底面の歯形形状の円弧が接する関係で接続された曲線であり、内歯車の歯底面の歯形形状は基準ピッチ線上を中心とした円弧半径Ｒの円弧で形成され、歯先面の歯形形状は基準ピッチ円と隣り合う歯底面の歯形形状である円弧半径Ｒの２つの円とに外接する３接円の円弧で形成され、内歯車の歯形は前記歯底面の歯形形状の円弧と前記歯先面の歯形形状の円弧が接する関係で接続された曲線であり、前記のそれぞれの歯形を持った外歯車と内歯車。
ハウジング内に回転自在に装着された請求項１に記載の歯車の歯形を持った内接歯車と、前記内接歯車内に偏心して配設された請求項1に記載の歯車の歯形を持った外接歯車とを備え、両歯車が互いにかみ合いして回転し、これら両歯車間に流体を吸入・吐出する内接歯車式ポンプであって、前記内接歯車は、前記外接歯車よりも1歯多い歯数を有し、両歯車がお互いに最も深くかみ合う部分の反対側で両歯車の歯先同士が摺動する内接歯車式ポンプ。
請求項１に記載した歯車を含む、複数の歯車で構成された歯車伝達装置。
請求項１に記載の歯車の歯形を持った歯切り専用工具による創成歯切り法、請求項１に記載の歯車の歯形に成形した工具による成形歯切り法、請求項１に記載の歯車を造形する方法、並びにＮＣデータ作成による加工プログラムからＮＣ工作機械による製造法、前記のいずれかの方法により請求項１に記載の歯車を製造する方法。
入力側は、偏心量ｅで設定される偏心軸１４１と、１枚差でかみ合う請求項２の内接歯車式ポンプの機構を持った外歯車１４７と内歯車１４８と、前記の１対の歯車を内含して偏心量ｅで揺動する遊星歯車である外歯車１４３と、前記の外歯車１４３とかみ合い減速機のケーシングに歯切りされ太陽固定歯車である内歯車１４４とを有し、出力側は、前記の外歯車１４３と同軸上で一体として反対側に歯切りされた外歯車１５１と、前記の外歯車１５１とかみ合う出力軸側に歯切りされた内歯車１５２と、出力軸を有する複数の歯車で構成された減速機。