JP4997574B2

JP4997574B2 - 減速装置

Info

Publication number: JP4997574B2
Application number: JP2008131679A
Authority: JP
Inventors: 英嗣寺田; 正巳水上
Original assignee: University of Yamanashi NUC
Current assignee: University of Yamanashi NUC
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: JP2009281422A

Description

本発明は、偏心回転機構を用いることなく、入力側の高速回転を所定の減速比に対応した低速回転運動に変換させるための減速装置に関するものである。

従来、減速装置では偏心入力形の回転駆動機構を用いたものが多い（特許文献１参照）。このような偏心入力形の回転駆動機構にあっては、回転の中心となる偏心入力部のブレが生じるため、カウンタバランスや複数の機械的なバランス機構が必須であり、そのイナーシャの影響により位置決め応答性に難があった。

一方、前記偏心入力形でない調波減速機なども開発されているが、伝達の噛み合い箇所が少ないため、ねじれ剛性が低く、また、減速装置本体を弾性変形させているため、減速装置自体が振動源となり、高速入力回転時における振動や騒音が問題となっている。

近年においては、人間のパワーアシストメカニズム実現への要求が高まっているものの、寸法・重量制限の関係から高速回転型のモータの使用が必須であり、且つ従来の減速機では振動や騒音の問題が解決できなかった。また、前記調波減速機では伝達の噛み合いが２箇所のみとなっているため、減速比の設定の自由度が制限されていた。

前述したような高速入力回転時における振動や騒音の問題を改善するため、偏心入力形の回転駆動機構を用いず、一軸で所定の減速比が得られる構造の減速装置が知られている（特許文献２参照）。この減速装置は、楕円カムと、ローラを介して前記楕円カムの外周に接するローラリンクと、前記楕円カムと同軸のガイドプレート及び内歯プレートとを備えたものである。前記ガイドプレートはローラリンクのローラ用の各ピンに対応するガイド孔を円形に配列し、内歯プレートはローラリンクのピン数よりも多い歯数の内歯を円形に形成している。また、前記ローラリンクの各ピンは、楕円カムの回転に伴い、各ガイド孔及び内歯の双方を介してガイドされ、内歯の歯溝に進退してガイドプレート及び内歯プレートを相対回転させる構造となっている。
特開２００２−１５６０１１号公報特開２００４−２５１３７４号公報

しかしながら、特許文献２に示したような減速装置にあっては、ローラリンクの各ピンはチェーン状に連結された状態で楕円カムの外周に接しながら回転するため、各ピンの運動が制限されてしまうおそれがある。このため、ガイドプレートに形成されている各ガイド孔に対応する各ピンの動きも規制されてしまうこととなり、入力側の高速回転を滑らかな減速回転運動に変換できない場合がある。

また、従来の減速装置では、偏心及び同心を問わず、楕円形状の回転媒体を使用しているため、伝達駆動点が２箇所に限定されたものであった。このように、伝達駆動点が２箇所のみでは減速比が一定の範囲に固定されたものとなるため、任意の減速比に設定することができず、設計の自由度が制限されていた。

そこで、本発明の目的は、高速入力回転時における振動や騒音を抑えることで安定駆動性を高めるとともに、複数の伝達駆動点を有することで多様な減速比の回転に変換することを可能とする減速装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明の減速装置は、トロコイド曲線軌跡を持つ環状溝が表面に形成された第１カムと、前記環状溝内に配置され、この環状溝内を自由に転動する複数の段付ピンと、該各段付ピンの運動を個々に規制する円形孔が複数配列された第２カムと、前記段付ピンに噛み合う歯を有し、前記第１カムの回転運動を所定の減速比の回転運動に変換する第３カムとを備えたことを特徴とする。

本発明の減速装置によれば、第１カムの環状溝内に配置される複数の段付ピンが一つ一つ独立した状態となっているので、入力側である前記第１カムの高速回転運動を段付ピンに滑らかに伝達することができる。また、前記第２カムに形成されている円形孔内での前記段付ピンの運動も円滑となるため、この段付ピンに噛み合う出力側の第３カムの回転も滑らかとなる。これによって、高速入力回転を所定の減速比に応じた低速回転に高精度に変換することができるとともに、回転時における弾性振動が生じないバックラッシレスの減速装置を実現することができる。

また、従来、伝達駆動点が２箇所に限られていたが、前記環状溝を三角形状あるいは四角形状とすることによって、前記伝達駆動点を３箇所あるいは４箇所に設定することが可能となるため、減速比を任意に設定することができる。

さらに、回転中心に偏心機構を有しない平板状のカム及びピンによって構成され、薄型且つ軽量であるため、人間のパワーアシストメカニズムに搭載可能である。

以下、添付図面に基づいて、本発明に係る減速装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る第１実施形態の減速装置２０の構成を示したものである。この減速装置２０は、入力回転を伝達する第１カム２１と、この第１カム２１と連動する複数の段付ピン２２と、この段付ピン２２と対応する円形孔２５が複数開設されている第２カム２３と、前記各段付ピン２２と噛み合う歯（外歯）２６が複数形成された第３カム２４とによって構成されている。

前記第１カム２１は、中心に入力側の回転軸２１ａを有する回転プレート２８と、この回転プレート２８の表面に形成される環状溝２９とを有している。前記環状溝２９は、幅及び深さが一定で前記回転軸２１ａを中心とした真円ではない略円形状になっている。この略楕円形状の環状溝２９は、トロコイド曲線軌跡を有して形成され、第１カム２１を回転することによって、前記環状溝２９内を転動する段付ピン２２と第３カム２４の外歯２６が噛み合う箇所（伝達駆動点）Ａ１，Ｂ１が１８０°の間隔に設定されている。この２箇所の伝達駆動点Ａ１，Ｂ１は、前記第１カム２１の回転運動に連動して順次移動する。

前記段付ピン２２は、前記環状溝２９内に挿入される円柱状の大径部２２ａと、この大径部２２ａから延びて第２カム２３の円形孔２５内に挿入可能な円柱状の小径部２２ｂとによって一体形成されている。この段付ピン２２は、それぞれ独立した状態で前記環状溝２９内に複数挿入され、数珠状に繋がった状態で環状溝２９内を自由に回転しながら移動が可能となっている。なお、この段付ピン２２は、第３カム２４の歯数に応じて数が規定されるが、環状溝２９内で連結した状態で配置されている必要はなく、多少の隙間があっても駆動には影響を及ぼすようなことはない。

第２カム２３は、中心部に貫通孔２３ａが設けられた固定用の平板によって構成されている。この第２カム２３には、前記各段付ピン２２の小径部２２ｂが挿入される円形孔２５が前記貫通孔２３ａの外周に沿って複数設けられる。前記各円形孔２５は、前記回転軸２１ａを中心として真円状に等間隔で配列され、前記段付ピン２２と一対一で対応している。各円形孔２５の径は、前記段付ピン２２の小径部２２ｂの径よりも大きく設定されているため、各段付ピン２２の小径部２２ｂは円形孔２５のガイド縁２５ａに沿うように規制されながら一定の周期で周回運動をする。この第２カム２３は、外周部に設けられた取付孔２３ｂを介して装置本体（図示せず）に固定される。

第３カム２４は、中心に出力側の回転軸２４ａを有する回転板と、この回転板の外周に設けられる複数の外歯２６を備えている。この外歯２６の形状は、前記環状溝２９と同様にトロコイド曲線軌跡を有して形成される。この第３カム２４は、前記回転板を段付ピン２２の環の内部に挿入することで、外歯２６と段付ピン２２が噛み合うようになっている。なお、前記外歯２６の数は、段付ピン２２の数に対して数個程度少なく設定されている。

上記構成要素からなる減速装置２０は、第１カム２１の環状溝２９内に予め設定された数の段付ピン２２を組み込んだ後、この複数の段付ピン２２で構成される環の内側に外歯２６が形成された第３カム２４を組み込む。次に、第２カム２３の貫通孔２３ａに第３カム２４の回転軸２４ａを通すとともに、各円形孔２５にそれぞれ対応する段付ピン２２の小径部２２ｂを挿入した後、この第２カム２３を装置本体などの筐体に取付孔２３ｂを介して固定設置する。この減速装置２０は、前記第１カム２１が高速回転する入力側であり、第３カム２４が低速回転する出力側となっており、入力側の回転軸２１ａと出力側の回転軸２４ａとが中心回転軸Ｘで同軸になっている。

図２は、完成した前記減速装置２０を出力側の回転軸２４ａ側から見たときの平面図であり、右半分は第２カム２３の裏面側に隠れている第１カム２１，段付ピン２２，第３カム２４の構成を示したものである。また、図３（ａ），（ｂ）は、図２において、第１カム２１を反時計回り（Ｒ１）に回転させたときの段付ピン２２及び第３カム２４の動作を示したものである。この実施形態では、前記第１カム２１をＲ１方向に半回転（１８０°）させるごとに前記それぞれの段付ピン２２は、前記円形孔２５のガイド縁２５ａに沿って一周する。このとき、第３カム２４は、図３（ｂ）に示すように、連続する外歯２６に噛み合いながら移動する段付ピン２２の小径部２２ｂによって、時計回り（Ｒ２）に回転する。この第３カム２４の回転は、前記第１カム２１の半回転に対して、前記外歯２６が一つ分の時計回りの回転となる。前記段付ピン２２は、各々の動きが自由であるため、隣接する段付ピン同士が干渉することなく前記環状溝２９内で回転及び移動が可能となっている。

前記減速装置２０による回転運動は、伝達駆動点の数ｎと、段付ピン２２の個数ｚから求めることができる。この実施形態では、ｎ＝２であるので、第３カム２４の歯数は（ｚ−２）個となり、第１カム２１の１８０°分の回転は、第３カム２４によって３６０°／（ｚ−２）の低速回転に変換されることになる。また、減速比は、２／（ｚ−２）となる。

図４は、上記第１実施形態の減速装置２０の一部を変更して構成した第２実施形態の減速装置３０を示したものである。図５は、完成した減速装置３０を出力側の回転軸３３ａ側から見たときの平面図であり、右半分は第２カム３３の裏面側に隠れている第１カム２１，段付ピン２２，第３カム３４の構成を示したものである。また、図６は、第２カム３４に形成されている内歯３６に沿って移動する段付ピン２２の動きを示したものである。

以下、前記減速装置２０と同一構成の構成要素については、同一符号を用いて説明する。本実施形態の減速装置３０は、第１カム２１及び段付ピン２２の構成は上記減速装置２０と同様であるが、第３カム３４が固定カムであり、第２カム３３が減速回転出力用の回転カムとなっている。前記第３カム３４は、中央に円形状の貫通孔３４ａが設けられ、この貫通孔３４ａにガイド縁２５ａに沿って複数の内歯３６が形成されて、取付孔３４ｂを介して装置本体などに固定して組み込まれる。前記内歯３６は、トロコイド曲線軌跡を有して形成されており、前記段付ピン２２と噛み合うように組み付けられる。第２カム３３は、中心に出力用の回転軸３３ａを備えた回転板であり、前記回転軸３３ａを中心とした外周上に複数の円形孔３５が設けられている。この円形孔３５には、前記段付ピン２２の小径部２２ｂが挿入され、この段付ピン２２の運動が一定範囲に規制される。そして、この段付ピン２２は、前記円形孔３５によって規制された運動量に応じた速度によって前記第３カム３４の内歯３６と噛み合うことで第２カム３３が所定の減速比に応じた回転運動をする。この第２実施形態の内歯駆動型の減速装置３０は、伝達駆動点の数ｎと、段付ピン２２の個数ｚから減速比が２／ｚとなる。

上記第１及び第２実施形態の減速装置２０，３０は、減速比が異なるが、入力側の回転軸２１ａ及び出力側の回転軸２４ａ，３３ａが同軸上にあるため、入力側の回転軸２１ａを高速回転させた場合でもほとんど振動や騒音を発生させずに低速の出力回転が得られる。

図７は、本発明に係る第３実施形態の減速装置４０の構成を示したものである。この減速装置４０は、前記第１実施形態の減速装置２０と同様に、入力回転を伝達する第１カム４１と、この第１カム４１と連動する複数の段付ピン４２からなるピン列と、前記段付ピン４２と対応する円形孔４５が複数開設されている第２カム４３と、前記各段付ピン４２と接する外歯４６が複数形成された第３カム４４とによって構成されている。この減速装置４０の特徴的な点は、前記第１カム４１に形成される環状溝４９が真円を少し押し潰したような略三角形状となっていることである。この環状溝４９は上記第１及び第２実施形態と同様にトロコイド曲線軌跡によって形成されているが、略１２０°の角度を備えた３箇所の伝達駆動点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２を備えたものとなっている。段付ピン４２は、それぞれ独立した状態で前記環状溝４９内に配置され、環状溝４９内でそれぞれの段付ピン４２が自由に回転及び移動が可能となっている。なお、前記第１カム４１及び段付ピン４２以外の構成要素である第２カム４３及び第３カム４４の構成は共通であるので、説明は省略するが、第２カム４３に形成される円形孔４５は、前記略三角形状の環状溝４９内を転動する段付ピン４２の動きに応じて溝長及び溝幅が設定される。

図８は、完成した前記減速装置４０を出力側の回転軸４４ａ側から見たときの平面図であり、右半分は第２カム４３の裏面側に隠れている第１カム４１，段付ピン４２，第３カム４４の構成を示したものである。前記各段付ピン４２は、前記第１カム４１が１／３回転するごとに一つの外歯４６の外周に沿って移動する。これによって、前記第１カム４１が反時計回り（Ｒ１）に１回転するごとに、この第１カム４１の回転方向と相反する時計回り（Ｒ２）に第３カム４４を３個分の外歯４６を進めることができる。

この実施形態では、伝達駆動点の数ｎが３であるので、段付ピン４２の個数をｚ個とすると、第３カム４４の歯数は（ｚ−３）個となり、第１カム４１の３６０°／３の高速回転は、第３カム４４の３６０°／（ｚ−３）の低速回転に変換される。

図９は、上記第３実施形態の減速装置４０の構成を一部変更して形成された第４実施形態の減速装置５０を示したものである。以下、前記減速装置４０と同一構成の構成要素については、同一符号を用いて説明する。本実施形態の減速装置５０は、第１カム４１及び段付ピン４２の構成は上記減速装置４０と同様であるが、第３カム５４が固定カムであり、第２カム５３が減速回転出力用の回転カムとなっている。前記第３カム５４は、中央に円形状の貫通孔５４ａが設けられ、この貫通孔５４ａにガイド縁２５ａに沿って複数の内歯５６が形成されて、取付孔５４ｂを介して装置本体などに固定して組み込まれる。前記内歯５６は、トロコイド曲線軌跡を有して形成されており、前記段付ピン４２と噛み合うように組み付けられる。第２カム５３は、中心に出力用の回転軸５３ａを備えた回転板であり、前記回転軸５３ａを中心とした外周上に複数の円形孔５５が設けられている。この円形孔５５には、前記段付ピン４２の小径部が挿入され、この段付ピン４２の運動を一定範囲に規制される。そして、この段付ピン４２は、前記円形孔５５によって規制された運動量に応じた速度で前記第３カム５４の内歯５６と噛み合うことで、第２カム５３が所定の減速比に応じた回転運動をする。

上記第３及び第４実施形態の減速装置４０，５０は、共にトロコイド曲線軌跡を持つ楕円形状の環状溝４９によって形成されているため、順次移動する伝達駆動点が３点となる。このため、前記第３実施形態の外歯駆動型の減速装置は、段付ピン４２の数をｚ、伝達駆動点の数をｎとすると、ｎ／（ｚ−ｎ）の減速比となり、第４実施形態の内歯駆動型の減速装置は、ｎ／ｚの減速比となる。このように、第１及び第２実施形態の減速装置２０，３０では実現できなかった減速比による出力回転を得ることが可能である。また、伝達駆動点が２点よりも３点の方がバランス性にも優れているため、入力側の回転軸２１ａを高速回転させた場合の振動や騒音をさらに低減させることができる。

図１０は、第１カム６１に形成する環状溝６９を略四角形状にした場合の構成例を示したものである。図１０（ａ）に示すように、この環状溝６９には、４箇所の伝達駆動点Ａ３，Ｂ３，Ｃ３，Ｄ３が設定できるため、減速比をさらに細かく設定することができる。図１０（ｂ）は外歯６６ａを有する第３カム６４ａによって構成されたもので、図１０（ｃ）は内歯６６ｂを有する第３カム６４ｂによって構成されたものである。前記環状溝６９に挿入する段付ピン６２の数をｚとすると、伝達駆動点が４箇所となるため、第３カムに設定される歯数は、（ｚ−４）となる。したがって、第１カムの３６０°／４の高速回転は、第３カムの３６０°／（ｚ−４）の低速回転に変換されることになる。

前記伝達駆動点の数ｎは、２〜４の範囲で設定されるが、伝達駆動点が２よりも３に設定することによって、１２０°間隔の均等なバランスがとれることで、回転時における振動を大幅に低減させることができる。また、前記環状溝を五角形以上とすることによって、伝達駆動点を５箇所以上設定することも、理論上可能である。

以上、説明したように、本発明の減速装置では、トロコイド曲線軌跡を有する環状溝と、この環状溝内を自由に転動可能な複数の段付ピン及びこの段付ピンの動きを規制するための円形孔を備えることによって、高ねじり剛性を有するとともに、バックラッシレスの薄型サーボ機構用の減速装置を実現可能とした。また、従来の同種の減速装置では伝達駆動点を２箇所にしか設定できなかったが、前記環状溝の形状を変えることと、この環状溝内に配置される複数の段差ピンがチェーン等によって拘束されることなく、一つ一つが独立した動きをなし得ることから、前記伝達駆動点を３箇所乃至４箇所以上に設定することが容易となった。これによって、任意の減速比の設計を可能とするだけでなく、トルク負荷容量を同一体積においても増大することが可能である。

このように、本願発明の減速装置は、主軸に偏心機構を持たず、調波減速装置のように装置本体が弾性振動を発生しないこと、さらに、小型且つ軽量であり、高速回転入力に適しているため、人間のパワーアシストメカニズムの駆動用減速装置に最適である。

本発明に係る第１実施形態の減速装置の分解斜視図である。上記第１実施形態の減速装置の平面図である。上記第１実施形態の減速装置の駆動原理を示す説明図である。本発明に係る第２実施形態の減速装置の分解斜視図である。上記第２実施形態の減速装置の平面図である。上記第２実施形態の減速装置の駆動原理を示す説明図である。本発明に係る第３実施形態の減速装置の分解斜視図である。上記第３実施形態の減速装置の平面図である。本発明に係る第４実施形態の減速装置の分解斜視図である。略四角形状の環状溝が形成された減速装置の平面図である。

符号の説明

２０減速装置
２１第１カム
２１ａ回転軸
２２段付ピン
２２ａ大径部
２２ｂ小径部
２３第２カム
２３ａ貫通孔
２３ｂ取付孔
２４第３カム
２４ａ回転軸
２５円形孔
２５ａガイド縁
２６外歯
２８回転プレート
２９環状溝

Claims

トロコイド曲線軌跡を持つ環状溝が表面に形成された第１カムと、
前記環状溝内に配置され、この環状溝内を自由に転動する複数の段付ピンと、
該各段付ピンの運動を個々に規制する円形孔が複数配列された第２カムと、
前記段付ピンに噛み合う歯を有し、前記第１カムの回転運動を所定の減速比の回転運動に変換する第３カムとを備えたことを特徴とする減速装置。
前記環状溝は、回転することによって、前記段付ピンと第３カムの歯とが噛み合う伝達駆動点を２箇所以上備える請求項１記載の減速装置。
前記環状溝は、前記伝達駆動点が３又は４からなる三角形又は四角形に近似する外形形状からなる請求項１記載の減速装置。
前記円形孔は、前記環状溝内を転動する段付ピンの運動を一定周期の円運動に規制するためのガイド縁を備える請求項１記載の減速装置。
前記第３カムは、前記環状溝内に配置される段付ピンの総数から前記伝達駆動点の数を減じた数の歯を備える請求項１又は２記載の減速装置。
前記第２カムが固定板であり、第３カムが外周部に複数の歯を備えた回転板である請求項１記載の可動ピン駆動減速機。
前記第２カムが回転板であり、第３カムが内周部に複数の歯を備えた固定板である請求項１記載の可動ピン駆動減速機。
前記段付ピンに噛み合う歯の形状は、トロコイド曲線の包絡線軌跡に基づいて形成される請求項１記載の減速装置。