JP4216428B2 - バックラッシフリーギア部品 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、機械の駆動手段における主軸のギア部品として使用されるバックラッシが無い、バックラッシフリーギア部品（バックラッシフリーギアボックスを含む。）に関する。より好ましくは、機械シャフトにおける減速ギアとして用いられるバックラッシフリーギア部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ギア加工では、いくつかの独立した回転運動および直線運動をするツールと、ワークピースとの間に、極めて正確、かつ複雑な相対運動が必要とされる。また、ワークピースに加え、連続したギアの加工工程では、他の相対運動とともに、高速で回転するツールが、所定の角度を持った位置で、各ポイントごとに相対運動に組み合わせられて調節されている必要がある。
一方、過去においては、複雑、かつ、高精度の機械的ギア列（歯車列と称する場合がある。）では、全ての可変運動が良好に動作するように、当該ギア列が調節される必要性があった。
しかしながら、今日におけるギア部品の制御技術によれば、選択可能な種々のカップリング要素を有する、直接測定システムが備わった、個々の数値制御軸を介して、各種の部品を制御しながら駆動することができるようになっている。
【０００３】
機械加工中のワークピースにおける回転角度の正確さと、かかるワークピースにおけるシャフトの回転角度の正確さとは、主として、最終的に仕上がったギア部品の品質によって決定されるものである。このため、ギア部品の駆動部は、静かな運転操作、高度な回転の緻密さに加えて、バックラッシ（隙間）が完全に無いことが好ましい。
したがって、過去、これらの厳しい要求を満足するために、各種の方法が考慮されて、試みられてきた。例えば、連続的な研磨装置においては、バックラッシが少ないウォームギアか、あるいは、バックラッシが無いバックラッシフリーのウォームギアが、この目的のために使用されており、また、バックラッシフリーのスプールギア（平歯車）、あるいは、単純な摩擦ホイールギアをそれぞれ研磨して作成するにあたり使用されてきた。すなわち、この研磨機械において、ワークピース用スピンドルに対して、わずかなモーメントを付与するにあたり、バックラッシが無いカップリングを介して、直接的駆動させることが行われてきた。
このような直接的駆動は、多くの利点を有するものである。例えば、一方、モーターと、ワークピース用スピンドルとの間のバックラッシが無いことにより、高度な回転の緻密さが、容易に得ることができる。さらに、一方で、直接的駆動は、ギア部品を使用した解決方法と比較して、構成の複雑さも小さいと言える。
【０００４】
しかしながら、直接的駆動をする場合であっても、仮に、より大きなギアホイールが機械に取り付けられて機械作業がなされると、第１に、普通は、要求されるワークピースの最大スピードが小さくなり、第２に、機械力によって生じるモーメントが大きくなるという問題が見られた。
これらの場合に、現実的な理由であって、また、技術的な制御理由から、ワークピース用スピンドルの駆動に、直接駆動をするのに対応した大きなモーターを使用するよりも、減速ギアに接続された、より小さいモーターを使用する方がより有利である。このことは、現実的であって、また、技術的な制御面からは重要である。すなわち、ワークピース用スピンドル上に与えられるモーメントは、減速ギアによって一次的（直線的）に減少するものの、ワークピースの内部モーメントは、モーターシャフトの減衰比の二乗に比例して減少することによるためである。
【０００５】
また、ワークピース用スピンドルが要するスピードの範囲に対して、必要なギア減衰比がかなり大きいという理由から、ウォームギアは、もはや不要であると考えられることもしばしばである。加えて、完全にバックラッシが無いウォームギアには、大きな摩擦が生じることになり、結果として、低効率となり、特定場所において不必要な熱を発生することになる。
また、スプールギアは、注意深く作成しても、常に、小さく、邪魔なオシレーション（振動）が生じる結果、どうしてもワークピース用スピンドルのギア歯の噛み合わせによる摩擦が伝動されてしまうという欠点がある。
さらに、摩擦ホイールは、大変すばらしい伝動特性を有しているものの、モーメントの伝動に関しては、通常限界があるものである。なぜならば、このような摩擦ホイールは、モーメントを伝動するための摩擦ポイントがたった一つしかないためである。
加えて、仮に、ワークピース用スピンドルの位置決めが、軸方向力や径方向力を吸収しないような場合には、かかる力を補償するための測定が必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、本願発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、静かな運転動作を実現し、高いモーメントの伝動を可能とし、かつ、緻密に回転することができる、バックラッシ（隙間）が無いバックラッシフリーギア部品を提供することを目的としている。よって、このような本願発明によって上記の問題点が解消されるものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１には、ハウジング１２と、
当該ハウジング１２に取りつけられており、リム（１６）に内側駆動表面７を有する環状ホイール８と、
当該ハウジング１２に回転可能に支持されており、環状ホイール８に対して同軸である第１のシャフト９と、
当該第１のシャフト９に取り付けられているプラネタリーキャリア６と、
当該プラネタリーキャリア６に回転可能に取り付けられている一つまたは複数のプラネタリーホイール（プラネタリーギアと称する場合がある。）３と、
第１のシャフト９に対して同軸となるように取り付けられている第２のシャフト１と、
当該第２のシャフト１に取り付けられており、外側駆動表面２１を有しているサンホイール（サンギアと称する場合がある。）２と、
を含むバックラッシフリーギア部品において、
前記プラネタリーホイール３は、環状ホイール８の内側駆動表面７およびサンホイール２の外側駆動表面２１と接触して回転するとともに、
リム１６の内径を、取り付けられる前の状態では、サンホイール２の直径と、プラネタリーホイール（３）の直径の２倍値との合計値よりも小さくしてあるとともに、
プラネタリーホイール３のシャフト５が、ベアリングキャリアー１３に設けられており、当該ベアリングキャリアー１３は、シャフト５を通るプラネタリーキャリア６の半径方向に対して対称となるように対向する２箇所において、各２つの連結部１５を介してプラネタリーキャリアー本体１９に連結されており、前記各２つの連結部１５が、それぞれ平行の位置関係であることによって、当該プラネタリーホイール３と、プラネタリーキャリア６との周方向のバックラッシを無くしてあるとともに、当該プラネタリーホイール３を半径方向にはフレキシブル（弾性変形的）に移動可能としてあること
を特徴とするバックラッシフリーギア部品が開示してある。
【０００８】
また、請求項２には、環状ホイール８は、弾性変形可能なリム１６を有するポット型形状をしており、ハウジング１２に強固に取りつけられたフランジ１７に対して、弾性変形可能な中間部１８を介して結合されていることを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品が開示してある。
【０００９】
また、請求項３には、連結部１５が、プラネタリーキャリアー本体１９とベアリングキャリアー１３との両方に対して、弾性変形可能な薄肉部分である結合部１４を介して結合してあることを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品が開示してある。
【００１０】
また、請求項４には、プラネタリーキャリアー本体１９と、連結部１５と、ベアリングキャリアー１３とが一体化してあることを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品が開示してある。
【００１１】
また、請求項５には、ベアリングキャリアー１３が、台形状であり、各連結部１５の長さが等しいことを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品が開示してある。
【００１２】
【００１３】
【００１４】
また、請求項６には、プラネタリーホイール３、あるいは、駆動表面７、２１を、テーパ状とすることを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品が開示してある。
【００１５】
また、請求項７には、第２のシャフト１が、モーター１０に結合した入力シャフトであるとともに、第１のシャフト９が、当該ギア部品の出力シャフトであることを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品が開示してある。
【００１６】
すなわち、本願発明は、ワークピースの駆動機構について関するものである。当該駆動機構は、摩擦による車ホイールの駆動機構、すなわち、大部分の場合において、衝撃がないような回転角度への移行が規則正しく行うことができるという優れた特性を有している。しかしながら、その一方で、当該駆動機構は、車ホイールの回転により生じるモーメントの伝動を限定してしまうという欠点が生じることなく、しかも力を補償するための装置を設ける必要性もない。さらに、当該駆動機構の仕様として、緻密に回転させることもできる。
【００１７】
すなわち、本願発明の駆動機構によれば、構造上の用語で言うところの、ハウジングに対して環状ホイールがしっかりと取り付けられたプラネタリーギア部品を提供することができる。したがって、本願発明のプラネタリーギア部品に関する駆動機構は、環状ホイールとプラネタリーホイールとの間に、またはその一方で、プラネタリーホイールとサンホイールとの間にプレス力（押圧力）を発生させると同時に、そのプレス力に応じて、環状ホイールとプラネタリーホイールとの間に、適当な弾性変形が生じる働きを有するものである。
【００１８】
【発明の実施形態】
以下、本願発明における好ましい実施形態について、図１〜３を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、ハウジングを除いて、ギア部品を構成する個々のパーツを、それぞれ分解した状態で示した図である。
モーターシャフト１上において、サンホイール２は、プラネットホイール（遊星ホイール）３がその表面で接触した状態で回転するための、円柱状の駆動表面２１を有している。また、このプラネットホイール３における駆動表面２２は、サンホイール２の駆動表面２１および環状ホイール８の駆動表面７との間に、それぞれ一定の接触面積を生じさせるため、好ましくはその円周上において、わずかにテーパ状となるように形成してあることが好ましい。
また、プラネットホイール３は、ベアリング４およびベアリングボルト５を介してプラネタリーキャリアー６に対して結合されており、ハウジング１２に密着した環状ホイール８の内部にある駆動表面７と、十分に接触することにより回転することができるように構成してある。かかる環状ホイール８は、ポット型をしており、ハウジング１２が取り付けられていない状態では、円筒状であることが好ましい。
また、用いることのできるプラネットホイール３の数は、望まれるギアの減速率、または環状ホイール８の直径とサンホイール２の直径との比率によって決定されることが好ましい。
なお、プラネタリーキャリアー６は、出力シャフト９を構成するワークピース用スピンドルに対して直接結合していることが好ましい。
【００２０】
図２は、ハウジング１２が取り付けられた状態における、プラネタリーギア部品の断面図である。ドライブモーター１０は、回転モーメントを、シャフト１とプラネットホイール３上で接触するサンホイール２とを介して伝達する。そして、プラネットホイール３の円周上で生じた回転モーメントは、ベアリングボルト５を通じてプラネタリーキャリアー６に伝わるので、その結果、かかる回転モーメントは、直接ワークピース用スピンドル９にも伝達されることになる。
なお、ワークピース用スピンドル９は、ベアリング１１によって支持されており、ハウジング１２と連結されたモーター１０に対して、同軸方向に存在することが好ましい。
【００２１】
図３は、プラネットホイール３が、３つの場合のプラネタリーキャリアー６を図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た図である。かかる図は、円形状の場合のプラネタリーキャリアとの区別がし易いように、あえて非円形状に誇張して示したものである。
なお、プラネットホイール３が１つの場合には、プラネタリーキャリアー６は、１つのプラネタリーボルト５が、ベアリングキャリアー１３に取り付けられるだけである。
しかしながら、ベアリングキャリアー１３が３つの場合には、プラネタリーキャリアー本体１９に、弾性領域としての変形可能な結合部１４、および連結部（ウェブ）１５を介して結合することが好ましい。なお、図３の例では、３つのベアリングキャリアー１３のうち、１つだけが変形可能な結合部１４、および連結部１５により取り付けられたものを示しているが、残りの２つについても全く同様に構成することができる。
また、各ベアリングキャリアー１３の連結部１５は、互いに平行の位置関係になるように配置されていることが好ましい。また、各連結部１５は、全て同じ長さであり、サンホイール２のシャフトとそれぞれのプラネット３との共通面に対しては、対称の関係であることが好ましい。さらに、ベアリングキャリアー１３は、図３に示すように、実質的に台形状であることが好ましい。このベアリングキャリアー１３の例では、周囲側の辺が短く、出力シャフト側の辺が長い台形状としてある。したがって、サンホイール２側に面している両連結部１５は、より離れた位置関係になっており、また、半径方向に対して高い剛性が達成される。
また、ベアリングキャリアー１３を図３に示す構造とするのに必要なスリット２３およびオープニング（開口部）２４、連結部１５、および変形可能な結合部１４である弾性部は、例えば、レーザーやウォータージェットを用いて切除したり、火花放電を用いて侵食除去したり、あるいは、機械的に切除することにより製造することができる。
なお、環状ホイール８は、内部の駆動表面７がプラネットホイール３と接触するように設けてある。
【００２２】
また、モーター１０からワークピース用スピンドル９へのスリップフリーの回転モーメントを大部分伝達するためには、十分大きいプレス力（押圧力）が、プラネットホイール３、サンホイール２、および環状ホイール８の間で必要とされる。そして、本願発明においては、このようなプレス力を、環状ホイール８の下部にあるリム１６が伸縮することによって発生させることができる。
また、このようなプレス力は、環状ホイール８の内部にあるリム１６の内径（駆動表面７の直径）が、サンホイール２の直径と、プラネットホイール３の直径の２倍値との合計値よりも小さいという条件から作り出されるものである。
このようにして、環状ホイール８は、駆動表面７によって、リム１６の任意の場所を変形させて、プラネットホイール３を押圧して、部分的に囲い込む状態とすることが可能となる。
また、図３では、例えば、３つのプラネタリーホイール３が図示されている。したがって、この場合のリム１６は、ほんのわずかだけ三角形状を呈している。また、環状ホイール８が取り付けられた状態では、リム１６が本来の円形状になる傾向は、取り付けられた状態のリム１６における元の円形形状に依存しているが、この円形状になる傾向により、摩擦ホイールを動作するのに十分な接触を得るために必要な弾性変形力を生み出すことができる。
なお、環状ホイール８のリム１６が接触する大きさ、およびその接触による非円形度の大きさに関しては、得られるプレス力を主に変化させることにより、必要に応じて変えることができる。
【００２３】
プラネタリーギアが、正確な機能を発揮するためには、環状ホイール８は、回転が緻密に行える最高の状態でギアハウジング１２と結合されていなけらばならない。そして、かかる結合が達成されるように、環状ホイール８は、補強の目的で、フランジ１７を備えた状態でハウジング１２に対して強固に取り付けられていることが好ましい。ただし、この取り付け位置ではまだ、環状ホイール８の変形は生じていないことになる。
しかしながら、それにもかかわらず、内部にある駆動表面７を有するリム１６は、依然としてほんのわずかながら三角形状を呈している。この理由は、フランジ１７に対して、ポット型の極めて薄く、伸縮可能な中間領域（中間部１８）が結合しているためである。したがって、このような構成とすることにより、ハウジング１２に対して極めて強いねじれが生じているにもかかわらず、リム１６には、柔軟性を付与することが可能になる。
【００２４】
また、環状ホイール８が、プラネットホイール３におよぼす力と同様の力が、プラネットホイール３およびサンホイール２の間にも生じなければならない。この理由は、ギア部品の動作により生じる摩擦力が、プラネットホイール３およびサンホイール２の接触部位では同じ大きさであるからである。
しかしながら、プラネットホイール３は、サンホイール２に対し、所定の力を伴って位置することができるように、プラネットホイール３は、半径方向に極めて小さな程度に動けるものでなければならない。
すなわち、この半径方向の動きは、可能な限り大きな剛性を有しており、しかもプラネタリーキャリアー６に対するプラネットホイール３のバックラッシ（隙間）を無くすことが可能であるとともに、それが保証されなければならない。なぜならば、このような半径方向の動きができなければ、ギア部品全体の回転剛性が、逆に衝撃となるためである。
【００２５】
本願発明によれば、上記の問題点は、プラネタリーキャリアー６が少なくとも１つあれば解決するものである。すなわち、かかるプラネタリーキャリアー６は、ベアリングキャリアー１３によって支持されており、そして、当該ベアリングキャリアー１３には、プラネタリーホイール３のシャフト５が、変形可能な結合部１４および放射状に形成されている連結部（ウェブ）１５を介して、伸縮可能な状態でもって結合してあることが好ましい。
しかしながら、その一方において、かかるプラネタリーキャリアー６は、プラネタリーキャリアー本体１９の周方向に対しては、極めて強固に備えてあることが好ましい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の構造は、摩擦力を利用したホイールギア部品の製造を可能なものとするものである。すなわち、当該ホイールギア部品は、高い回転の緻密性を有しており、バックラッシ（隙間）が完全に取除かれた状態である。また、駆動表面の直径は、サンホイール２の直径と、プラネットホイール３の直径の２倍値との合計値よりも小さいため、リム１６は、伸縮自在に変形が可能であって、プラネットホイール３は、プラネタリーキャリアー６の半径方向に対して適宜伸縮が可能である。
したがって、このように構成することにより、接触して摩擦を生じる位置に対して、所定のプレス力を正確に付与することを保証するものであり、出力シャフト９に対して、逆方向へ力を及ぼすことがなくなる。
また、プラネタリーホイール３のシャフト５における円周上における摩擦力の伝達ポイントは、プラネットホイール３における伝達ポイントの２倍となる。
すなわち、本発明の構造によれば、当該ギア部品の操作をとても静かに行なうことができ、高いモーメントの伝動を可能とし、かつ、緻密に回転することができるという効果を得ることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明のギア部品において、ハウジングがない状態での構成部品をそれぞれ分解した状態で示した図である。
【図２】 本願発明に係るギア全体の断面図である。
【図３】 非円形状の場合の本願発明に係るプラネタリーキャリアーの平面図である。
【符号の説明】
１ 第２のシャフト（入力用シャフト）
２ サンホイール（サンギア）
３ プラネタリーホイール（プラネタリーギア）
５ シャフト
６ プラネタリーキャリア
７ 内側駆動表面
８ 環状ホイール
９ 第１のシャフト（出力用シャフト、ワークピース用スピンドル）
１０ ドライブモーター
１１ ベアリング
１２ ハウジング
１３ ベアリングキャリアー
１４ 変形可能な結合部
１５ 連結部（ウェブ）
１６ リム
１７ フランジ
１８ 弾性変形可能な中間部
１９ プラネタリーキャリアー本体
２１ 外側駆動表面
２２ プラネットホイールにおける駆動表面
２３ スリット
２４ オープニング

Claims (7)

1. ハウジング（１２）と、
   当該ハウジング（１２）に取りつけられており、リム（１６）に内側駆動表面（７）を有する環状ホイール（８）と、
   当該ハウジング（１２）に回転可能に支持されており、環状ホイール（８）に対して同軸である第１のシャフト（９）と、
   当該第１のシャフト（９）に取り付けられているプラネタリーキャリア（６）と、
   当該プラネタリーキャリア（６）に回転可能に取り付けられている一つまたは複数のプラネタリーホイール（３）と、
   前記第１のシャフト（９）に対して同軸となるように取り付けられている第２のシャフト（１）と、
   当該第２のシャフト（１）に取り付けられており、外側駆動表面（２１）を有しているサンホイール（２）と、
   を含むバックラッシフリーギア部品において、
   前記プラネタリーホイール（３）は、前記環状ホイール（８）の内側駆動表面（７）およびサンホイール（２）の外側駆動表面（２１）と接触して回転するとともに、
   前記リム（１６）の内径を、取り付けられる前の状態では、前記サンホイール（２）の直径と、プラネタリーホイール（３）の直径の２倍値との合計値よりも小さくしてあるとともに、
   前記プラネタリーホイール（３）のシャフト（５）が、ベアリングキャリアー（１３）に設けられており、当該ベアリングキャリアー（１３）は、前記シャフト（５）を通る前記プラネタリーキャリア（６）の半径方向に対して線対称となる２箇所において、各２つの連結部（１５）を介してプラネタリーキャリアー本体（１９）に連結されており、前記各２つの連結部（１５）が、それぞれ平行の位置関係であることによって、当該プラネタリーホイール（３）と、前記プラネタリーキャリア（６）との周方向のバックラッシを無くしてあるとともに、当該プラネタリーホイール（３）を半径方向にはフレキシブルに移動可能としてあることを特徴とするバックラッシフリーギア部品。
2. 前記環状ホイール（８）は、弾性変形可能な前記リム（１６）を有するポット型形状をしており、前記ハウジング（１２）に強固に取りつけられたフランジ（１７）に対して、弾性変形可能な中間部（１８）を介して結合されていることを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品。
3. 前記連結部（１５）が、プラネタリーキャリアー本体（１９）とベアリングキャリアー（１３）との両方に対して、弾性変形可能な薄肉部分である結合部（１４）を介して結合してあることを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品。
4. 前記プラネタリーキャリアー本体（１９）と、前記連結部（１５）と、前記ベアリングキャリアー（１３）とが一体化してあることを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品。
5. 前記ベアリングキャリアー（１３）が、台形状であり、各連結部（１５）の長さが等しいことを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品。
6. 前記プラネタリーホイール（３）、あるいは、前記駆動表面（７、２１）を、テーパ状とすることを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品。
7. 前記第２のシャフト（１）が、モーター（１０）に結合した入力シャフトであるとともに、前記第１のシャフト（９）が、当該ギア部品の出力シャフトであることを特徴とする請求項１に記載のバックラッシフリーギア部品。

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