JP4648414B2 - 動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１溝部と第２溝部とに転動ボールを配置して第１動力部から第２動力部に回転力を伝達する動力伝達装置。

動力伝達装置では、自動車部品などの生産工程でロボットなどの関節部の回動変位の伝達に用いられ、組付け部品を種々の工程に送る搬送装置に組み込まれている。
この種の動力伝達装置のなかでも、エピサイクロイド曲線に沿って案内溝を形成した第一の動板とハイポサイクロイド曲線に沿って案内溝を形成した第二の動板とを転動ボールを介して重ね合わせ、第一の動板に対する第二の動板の回転駆動によりトルクを出力として伝達する転動ボール式差動減速機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このものでは、転動ボールを介して第一の動板と第二の動板とを重ね合わせるだけで済むため、全体の厚みが小さくてコンパクトになりながらも、バックラッシュがなくて伝達効率が高く、低騒音で大きなトルク伝達容量を確保できるようになっている。

この場合、案内溝５０は、図９（ａ）に示すように、ゴシックアーチ形であることが一般的である（例えば、特許文献２参照）。案内溝５０の内壁は、転動ボール５１の曲率半径Ｒ２よりも大きな曲率半径Ｒ１のため、転動ボール５１は、案内溝５０の内壁に二点Ｐ１、Ｐ２で接触する内接状態となる。動力伝達運転時には、転動ボール５１が案内溝５０の内壁に作用するので、ヘルツ応力により、転動ボール５１は、案内溝５０の内壁に対して接触点Ｑ１、Ｑ２の間の領域で面接触となり、バックラッシュがなくなる。
特開平５−２３１４９０号公報 特開２００７−２４０９１号公報

上記ゴシックアーチ形の案内溝５０を用いた場合、バックラッシュはなくなるものの、案内溝５０の内壁に対する転動ボール５１の接触面積は小さいため、伝達荷重が小さくなる。
また、第一の動板５２および第二の動板５３に平行な軸Ｓの周りに転動ボール５１が転動する低負荷時、転動ボール５１は接触点Ｑ１、Ｑ２に対して、差の大きな回転半径ｒ１、ｒ２となるため、回転に対する進み距離が異なるようになり、差動すべりに起因する摩擦が発生する。

高負荷時には、転動ボール５１の回転中心が、図９（ｂ）に示すように、軸Ｓに対して傾斜して点Ｐ１−点Ｐ１を結ぶ軸Ｇとなるため、差動すべりは減少する。しかし、転動ボール５１が案内溝５０の点Ｐ１−点Ｐ１で接触するようになり、すべり摩擦が新たに加わり伝達効率が低下する。
また、第一の動板５２が点Ｐ２で転動ボール５１に働く伝達力Ｆが軸Ｓと成す接触角αが大きくなるため、軸Ｓに沿う水平力Ｅが生じるとともに、第二の動板５３に加わるスラストＴｈも大きくなり、動力伝達上の機械効率が低下する。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、その目的はバックラッシュの除去は勿論、第１溝部および第２溝部に対する転動ボールの接触面積が大きくなって伝達荷重が増加し、すべり摩擦が低減して伝達効率が向上し、スラストが低下して動力伝達上の機械効率が高くなる動力伝達装置を提供することにある。

（請求項１について）
入力側の第１動力部は、所定の曲線に沿って形成され、深さ方向に幅狭となる第１溝部を形成している。出力側の第２動力部は、第１動力部と近接状態に並列配置されて、第１溝部に対応する第２溝部を有する。第１溝部と第２溝部とに転動ボールを配置し、第１動力部の回転時、転動ボールが第１溝部と第２溝部とに沿って転走することにより、第１動力部の回転運動を第２動力部に伝達する。
第１溝部の内壁部および第２溝部の内壁部は、各内壁部の開口縁部で転動ボールの半径またはその近傍値による円弧面を形成するとともに、円弧面の終端部で円弧面に接する平坦面を連続形成している。

転動ボールが第１溝部および第２溝部に沿って転走すると、低負荷時に転動ボールが第１溝部の内壁における一方の円弧面と平坦面との境界部と第２溝部の内壁における一方の円弧面と平坦面との境界部とに２点接触で当接するので、転動ボールにぐらつきが生じずバックラッシュが発生しない。

高負荷時に第１溝部および第２溝部に沿う方向の動力が転動ボールに働くと、転動ボールは、僅かに変位して第１溝部および第２溝部の各内壁における一方の円弧面に面接触状態に当接する。第１溝部および第２溝部の円弧面に対する転動ボールの接触面積が大きくなって伝達荷重が増加する。
高負荷時の転動ボールは、第１溝部および第２溝部の各内壁の他方の円弧面に、僅かな隙間を介して対向しているだけなので、すべり摩擦が全体的に低減して伝達効率が向上する。
転動ボールは、第１溝部および第２溝部の開口縁部の円弧面に当接しているため、第１動力部および第２動力部に沿う方向に対して、円弧面から転動ボールへ作用する伝達力の方向と成す接触角が小さくなり、第１動力部および第２動力部へのスラストが低下して動力伝達上の機械効率が高くなる。

（請求項２について）
第１溝部および第２溝部の各内壁部は、平坦面に代わって、円弧面の終端部で円弧面に外接する曲面部を連続形成している。
平坦面の代わりに、円弧面に外接する曲面部を設けても、請求項１と同様な効果が得られる。

（請求項３について）
第１溝部および第２溝部は、サイクロイド系曲線に沿って形成され、第１動力部に公転成分および自転成分からなる複合運動を付与し、第２動力部が複合運動から自転成分のみを受けて回転するボール式減速機を構成する。
動力伝達装置をボール式減速機に適用しても、請求項１と同様な効果が得られる。

（請求項４について）
動力伝達装置は、出力軸に同心的に取り付けられ、外周部の下面に形成された滑動溝を第１溝部として設けた円盤状のフォロアホイールと、出力軸に直交するように設けられ、転動ボールに噛合する噛合面を内壁部とする第２溝部を複数条に形成したカム突条部を有する入力軸とを備えたリブカム式ボール減速機を構成する。
動力伝達装置をリブカム式ボール減速機に適用しても、請求項１と同様な効果が得られる。

（請求項５について）
動力伝達装置は、出力軸に同心的に取り付けられ、外周部の下面に形成された滑動溝を第１溝部として設けた円盤状のフォロアホイールと、出力軸に直交する入力軸に設けられ、螺旋状の突条歯の内壁部を第２溝部とするウォーム歯車とを備えたウォーム式ボール減速機を構成する。
動力伝達装置をウォーム式ボール減速機に適用しても、請求項１と同様な効果が得られる。

本発明の動力伝達装置では、第１溝部および第２溝部に対する転動ボールの接触面積が大きくなって伝達荷重が増加し、すべり摩擦が低減して伝達効率が向上し、スラストが低下して動力伝達上の機械効率を向上させることができる。

図１および図２を参照しながら本発明の実施例１を説明する。
実施例１では、特に溝部の構造を詳述するため、溝部の形状を中心にして模式的に示した図１および図２を用いる。このため、動力伝達装置１は、入力側の第１動力部２に与えられた回転力は、後述する第１溝部３、転動ボール７および第２溝部５を介して出力側の第２動力部６に伝わることを前提とする。

第１動力部２の外表面には、図１に示すように、所定の曲線に沿って形成され、深さ方向に幅狭となる断面略Ｖ字状の第１溝部３を形成している。
第２動力部６は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、第１動力部２と近接状態に並列配置されていて、第２動力部６の外表面には、第１溝部３に対応する第２溝部５を有する。第１溝部３および第２溝部５は、所定の曲線に沿って刻設形成されている。

第１溝部３と第２溝部５とには、転動ボール７は、例えばスチールボールとして形成されており、第１動力部２と第２溝部５との間に挟まれ、第１溝部３と第２溝部５とにわたって配置されている。第１動力部２の回転時、転動ボール７が第１溝部３と第２溝部５とに沿って転走することにより、第１動力部２の回転運動を第２動力部６に伝達する。

第１溝部３の内壁部は、その内壁部の開口縁部３Ａで転動ボール７の半径Ｒ３またはその近傍値による円弧面３ａを弧長ｔ１にわたって形成している。円弧面３ａの終端部３Ｂにおいて、直線Ｌに垂直で円弧面３ａに接する平坦面３ｂを底部３ｃまで線長ｔ２にわたって連続形成している。
第２溝部５の内壁部にも、その内壁部の開口縁部５Ａで転動ボール７の半径Ｒ３またはその近傍値による円弧面５ａを弧長ｔ１にわたって形成している。円弧面５ａの終端部５Ｂにおいて、直線Ｍに垂直で円弧面５ａに接する平坦面５ｂを底部５ｃまで線長ｔ２にわたって連続形成している。

低負荷時には、図２（ａ）に示すように、転動ボール７が第１溝部３の両内壁における一方の円弧面３ａと平坦面３ｂとの境界部Ｈ１と第２溝部５の両内壁における一方の円弧面５ａと平坦面５ｂとの境界部Ｈ２とに２点接触で当接する。
高負荷時に第１溝部３および第２溝部５に沿う方向の動力Ｋが転動ボール７に働くと、図２（ｂ）に示すように、転動ボール７は僅かに変位し、第１溝部３の両内壁における一方の円弧面３ａと第２溝部５の両内壁における一方の円弧面５ａとへ当接する。

上記構成では、転動ボール７が第１溝部３および第２溝部５に沿って転走すると、低負荷時に転動ボール７を円弧面３ａ（５ａ）と平坦面３ｂ（５ｂ）との境界部Ｈ１（Ｈ２）に２点接触で当接するので、転動ボール７にぐらつきが生じずバックラッシュが発生しない。
精密な位置決めを行う場合、動力伝達装置の停止時に転動ボール７への負荷を減少させる使用例が多いため、停止時にバックラッシュが発生しないことは重要視されており、大きな利点である。

高負荷時、転動ボールは、僅かに変位して円弧面３ａ、５ａに面接触状態で当接する。第１溝部３および第２溝部５の円弧面３ａ、５ａに対する転動ボール７の接触面積が大きくなって伝達荷重が増加する。
高負荷時の転動ボール７は、第１溝部３および第２溝部５の各内壁の他方の円弧面３ａ、５ａに、僅かな隙間Ｇｐを介して対向しているだけなので、すべり摩擦が全体的に低減して伝達効率が向上する。

転動ボール７は、第１溝部３および第２溝部５の開口縁部３Ａ、５Ａの円弧面３ａ、５ａに当接しているため、第１動力部２および第２動力部６に沿う方向Ｎ１に対して、円弧面３ａから転動ボール７へ作用する伝達力Ｗの方向Ｎ２と成す接触角βが小さくなり、第１動力部２および第２動力部６へのスラストＴｉが低下して動力伝達上の機械効率が高くなる。
ちなみに、後述する実施例２のボール式減速機Ａでは、１／２０の減速比で従来の二倍のトルクを適用した場合、温度上昇は２３°となり、伝達効率は９８％の高さを達成したことが実験により判明している。

図３は実施例１の変形例１、２を示す。図３（ａ）の変形例１では、第１溝部３の底部３ｃおよび第２溝部５の底部５ｃを平底状に形成している。図３（ｂ）の変形例２では、第１溝部３の底部３ｃおよび第２溝部５の底部５ｃを丸底状に形成している。転動ボール７は、底部３ｃ、５ｃに接触しない寸法関係になっているため、先鋭状である必要はなく、平底や丸底に加えて様々な形状が考えられる。

図４の変形例３では、第１溝部３および第２溝部５における平坦面３ｂ、５ｂに代わって、円弧面３ａ、５ａの終端部３Ｂ、５Ｂで円弧面３ａ、５ａに外接する曲面部３ｄ、５ｄを円弧面として連続形成している。曲面部３ｄ、５ｄは、円弧面の他に双曲面、楕円面あるいは放物面線などの双曲面の一部を採用してもよい。

図５および図６は、本発明の実施例２として動力伝達装置１をボール式減速機Ａに適用した例を示す。
図５（ａ）に示すボール式減速機Ａにおいて、偏平で矩形のケーシング１１の左側壁に挿通口１２、右側壁に挿通口１３を対向状態に形成している。ケーシング１１の左側壁内面には、挿通口１２と連通する透孔１５を有する円盤状の第１動力部１４が固定されている。円盤状の第２動力部１６は、中央部に透孔１７を形成し、ケーシング１１内で第１動力部１４と近接・対向状態に取り付けられている。

偏心軸１８はケーシング１１内に設けられており、その一端部は第１動力部１４の透孔１５を挿通する偏心部１８ａとして軸受１９を介して第２動力部１６の透孔１７内に支持されている。偏心軸１８の他端は、軸受２０を介して挿通口１３に支持され、挿通口１３から外部に突出する入力部２１を備えている。この場合、偏心軸１８の偏心量を後述するサイクロイド系曲線の第１案内溝２５および第２案内溝２６が形成する波高長に相当する寸法に設定している。

円盤状をなす整動板２２は、ケーシング１１内で第２動力部１６と対向状態に配置され、中央部に軸受２３を介して挿通口１２に支持された出力軸２４を取り付けている。
第１動力部１４の表面には、図６に示すように、第１案内溝２５が第１溝部として周方向に形成されている。第１案内溝２５は、エピサイクロイド曲線に沿って、例えば１０個の波数で所定の基礎円に沿って連続刻設したものである。エピサイクロイド曲線の波高長に相当する寸法を偏心量としている。

第２動力部１６の表面には、図６に示すように、第２案内溝２６が第２溝部として第１案内溝２５に対応するように形成されている。第２案内溝２６は、第１案内溝２５よりも若干径大に設定されており、ハイポサイクロイド曲線に沿って１１個の波数で所定の基礎円に沿って連続刻設したものである。ハイポサイクロイド曲線の波高長に相当する寸法を偏心量としている。

エピサイクロイド曲線とは、所定の径寸法の基礎円に径小な円を外接状態に滑ることなく転動させた時、径小な円の任意の一点が描く軌跡であり、ハイポサイクロイド曲線とは、同様な基礎円に径小な円を内接状態に転動させた時、径小な円の任意の一点が描く軌跡である。

第１動力部１４と第２動力部１６との間には、複数の転動ボール２７がスチールボールとして周方向に設けられている。転動ボール２７は、図５（ｂ）に示すように、第１案内溝２５と第２案内溝２６にそれぞれ当接し、第１動力部１４と第２動力部１６とをトルク伝達可能に連結している。図５（ｂ）は、実施例１の図２に相当する態様を示したものである。第１動力部１４を第２動力部１６に対して圧接することにより、転動ボール２７は第１案内溝２５および第２案内溝２６に強く当接するようになる。

第２動力部１６の外表面で、第２案内溝２６の反対側には、図５に示すように断面半円状の径小な環状溝２８が等角度間隔で複数設けられている。これら環状溝２８は、第１案内溝２５および第２案内溝２６の偏心量に相当する径寸法に設定されている。また、整動板２２において環状溝２８に対向する表面には、環状溝２８と外径が同一で同数の円形溝２９が周方向に形成されている。第２動力部１６と整動板２２との間には、環状溝２８および円形溝２９に嵌め込まれた回動ボール２２ａが配置されて、いわゆるオルダム軸継手を整動手段３０として構成している。

実施例２において、ボール式減速機Ａを搬送用ロボットに適用した場合、偏心軸１８の入力部２１には電動機（図示せず）が連結され、出力軸２４には関節用のアーム（図示せず）が取り付けられている。電動機への通電により、偏心軸１８が回転駆動されて偏心部１８ａにより第２動力部１６に偏心回転力が伝達される。
偏心回転力を受けた第２動力部１６は、転動ボール２７を第１案内溝２５および第２案内溝２６に沿って転走させて、第２動力部１６を第１動力部１４に対して公転成分と自転成分からなる複合運動を行わせる。

第２動力部１６の複合運動に伴い、転動ボール２７が第１案内溝２５および第２案内溝２６に沿って転走する過程で、整動手段３０の回動ボール２２ａが環状溝２８および整動板２２の円形溝２９の各外周案内壁部を接触状態で転動する。これにより、第２動力部１６の複合運動から公転変位が吸収され、整動板２２に自転変位のみを伝達して出力軸２４を減速状態に回転させて関節用のアームを所定の工程に移動する。

この場合、偏心軸１８の一回転量は、転動ボール２７が第２案内溝２６を波数１個分の長さ寸法だけ転動する距離、あるいは転動ボール２７が第１案内溝２５を波数１個分の長さ寸法だけ転動する距離に相当する。このため、入力部２１に対する第２動力部１６の減速比は、第１案内溝２５と第２案内溝２６との波数差に相当する数値１と第１案内溝２５の波数Ｚ１に数値２を加えたものとの比、すなわち１／（１＋Ｚ１）となる。実施例１では、波数Ｚ１を１０個としたので、減速比は１／（１＋１０）＝１／１１となる。一般に、第２案内溝２６の波数をＺ２とすると、減速比は［（Ｚ２−Ｚ１）／｛（Ｚ２−Ｚ１）＋Ｚ１｝］＝｛１−（Ｚ１／Ｚ２）｝の演算式により算出される。

図５（ｂ）において、第１案内溝２５の内壁部は、円弧面２５ａおよび平坦面２５ｂを有し、第２案内溝２６の内壁部は、円弧面２６ａおよび平坦面２６ｂを備えているため、実施例１の動力伝達装置１と同様な効果が得られる。

図７は、本発明の実施例３として動力伝達装置１をリブカム式ボール減速機Ｂに適用した例を示す。
リブカム式ボール減速機Ｂは、実施例２のボール式減速機Ａと同様にＤＶＤなどの生産工程で種々の部品などを搬送するロボット技術に応用されるもので、図７（ａ）に示すようにハウジング３２内に段付き状の出力軸３３を回転可能に設けている。出力軸３３には、円盤状のフォロアホイール３４が一体的に回転するように同心的に嵌め込まれている。フォロアホイール３４における外周部の下面には、複数の転動ボール３５がスチールボールとして滑動溝３６に等角度間隔で設けられている。この滑動溝３６は、実施例１の第１溝部として形成している。

駆動源（図示せず）から駆動力を受ける入力軸３７は、出力軸３３に直交する状態に配置されて軸受３８、３９により回転可能に支持されている。入力軸３７は、転動ボール３５に噛合する噛合面を両内壁部に複数条に形成したカム突条部４０を有しており、カム突条部４０の両内壁部間を第２溝部として備えるリブカム方式を採用している。
滑動溝３６は、図７（ｂ）に示すように、円弧面３６ａおよび平坦面３６ｂを有し、カム突条部４０は、その両内壁部間に円弧面４０ａおよび平坦面４０ｂを備えているため、実施例１の動力伝達装置１と同様な効果が得られる。

図８は、本発明の実施例４として動力伝達装置１をウォーム式ボール減速機Ｃに適用した例を示す。実施例４が実施例３と異なるところは、カム突条部４０を有する入力軸３７に代わって、図８（ａ）に示すように、ウォーム歯車４１を設けたことである。ウォーム歯車４１における螺旋状の突条歯４１Ａの両内壁部間を第２溝部としている。
滑動溝３６は、図８（ｂ）に示すように、両内壁部に円弧面３６ａおよび平坦面３６ｂを有している。ウォーム歯車４１は、入力シャフト４２の外表面に突条歯４１Ａを螺旋状に形成したもので、突条歯４１Ａの両内壁部には、円弧面４１ａおよび平坦面４１ｂを備えている。このため、実施例１の動力伝達装置１と同様な効果が得られる。

本発明では、第１溝部および第２溝部に対する転動ボールの接触面積が大きくなって伝達荷重が増加し、すべり摩擦が低減して伝達効率が高く、スラストが低下して動力伝達上の機械効率が向上する。これにより、小型で高性能なロボット技術への応用が可能となる有益性から工作機械の効率化を求める需要者の増加に伴い、機械産業界へ広く適用することができる。

動力伝達装置を模式図に示す分解縦断面図である（実施例１）。 （ａ）は低負荷時に転動ボールが第１溝部および第２溝部に対する当接状態を示す縦断面図、（ｂ）は高負荷時に転動ボールが第１溝部および第２溝部に対する当接状態を示す縦断面図である（実施例１）。 （ａ）、（ｂ）は第１溝部および第２溝部の縦断面図である（変形例１、２）。 第１溝部および第２溝部の縦断面図である（変形例３）。 （ａ）はボール式減速機の縦断面図、（ｂ）は要部の拡大縦断面図である（実施例２）。 ボール式減速機の主要部を示す分解斜視図である（実施例２）。 （ａ）はリブカム式ボール減速機を一部破断して示す斜視図、（ｂ）は要部の拡大縦断面図である（実施例３）。 （ａ）はウォーム式ボール減速機を一部破断して示す斜視図、（ｂ）は要部の拡大縦断面図である（実施例４）。 （ａ）、（ｂ）は動力伝達装置を模式的に示す縦断面図である（従来例）。

符号の説明

１ 動力伝達装置
２、１４ 第１動力部
３ 第１溝部
３ａ 円弧面
３ｂ 平坦面
３ｄ、５ｄ 曲面部
３Ａ 開口縁部
３Ｂ 終端部
５ 第２溝部
５ａ 円弧面
５ｂ 平坦面
５Ａ 開口縁部
５Ｂ 終端部
６、１６ 第２動力部
７、２７、３５ 転動ボール
２５ 第１案内溝（第１溝部）
２５ａ 円弧面
２５ｂ 平坦面
２６ 第２案内溝（第２溝部）
２６ａ 円弧面
２６ｂ 平坦面
３６ 滑動溝（第１溝部）
３６ａ 円弧面
３６ｂ 平坦面
４０ カム突条部
４０ａ 円弧面
４０ｂ 平坦面
４１ ウォーム歯車
４１Ａ ウォーム歯車の突条歯
４１ａ 円弧面
４１ｂ 平坦面

Claims (5)

1. 所定の曲線に沿って形成され、深さ方向に幅狭となる第１溝部を形成した入力側の第１動力部と、
   前記第１動力部と近接状態に並列配置されて、前記第１溝部に対応する第２溝部を有する出力側の第２動力部とを備え、
   前記第１溝部と前記第２溝部とに転動ボールを配置し、前記第１動力部の回転時、前記転動ボールが前記第１溝部と前記第２溝部とに沿って転走することにより、前記第１動力部の回転運動を前記第２動力部に伝達する動力伝達装置において、
   前記第１溝部の内壁部および前記第２溝部の内壁部は、各内壁部の開口縁部で前記転動ボールの半径またはその近傍値による円弧面を形成するとともに、前記円弧面の終端部で前記円弧面に接する平坦面を連続形成したことを特徴とする動力伝達装置。
2. 前記第１溝部および前記第２溝部の各内壁部は、前記平坦面に代わって、前記円弧面の終端部で前記円弧面に外接する曲面部を連続形成していることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達装置。
3. 前記第１溝部および前記第２溝部は、サイクロイド系曲線に沿って形成され、前記第１動力部に公転成分および自転成分からなる複合運動を付与し、前記第２動力部が前記複合運動から前記自転成分のみを受けて回転するボール式減速機を構成することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の動力伝達装置。
4. 出力軸に同心的に取り付けられ、外周部の下面に形成された滑動溝を前記第１溝部として設けた円盤状のフォロアホイールと、
   前記出力軸に直交するように設けられ、前記転動ボールに噛合する噛合面を内壁部とする前記第２溝部を複数条に形成したカム突条部を有する入力軸とを備えたリブカム式ボール減速機を構成することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の動力伝達装置。
5. 出力軸に同心的に取り付けられ、外周部の下面に形成された滑動溝を前記第１溝部として設けた円盤状のフォロアホイールと、
   前記出力軸に直交する入力軸に設けられ、螺旋状の突条歯の内壁部を前記第２溝部とするウォーム歯車とを備えたウォーム式ボール減速機を構成することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の動力伝達装置。

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