JP5901943B2 - 歯車伝動装置及び駆動ユニット - Google Patents

Description

本発明は、偏心揺動型の歯車伝動装置と、その歯車伝動装置を使った駆動ユニットに関する。偏心揺動型の歯車伝動装置は、サイクロイド減速機と呼ばれることもある。

外歯歯車が内歯歯車と噛み合いながら一方が他方の回りを周回する歯車伝動装置が知られている。そのような歯車伝動装置には、外歯歯車が内歯歯車と噛み合いながら内歯歯車の内側を周回するタイプ（外歯歯車周回タイプ）と、内歯歯車が外歯歯車と噛み合いながら外歯歯車の回りを周回するタイプ（内歯歯車周回タイプ）がある。以下では、説明を単純化するため、外歯歯車周回タイプを用いて本明細書が開示する技術を説明する。なお、本明細書が開示する技術は、内歯歯車周回タイプの歯車伝動装置にも適用できることに留意されたい。

外歯歯車周回タイプの歯車伝動装置は、一般に、内歯歯車と同軸に支持されたキャリアと、キャリアに支持されたクランクシャフトと、クランクシャフトの偏心体に係合する外歯歯車を有する。内歯歯車は、ケースの内側に形成されていることが多い。外歯歯車には軸方向に孔が設けられており、偏心体はその孔に係合する。外歯歯車は内歯歯車と噛み合っている。キャリアは歯車伝動装置の出力軸に相当する。クランクシャフトの回転に伴って外歯歯車が内歯歯車の内周を周回する。外歯歯車が１周する毎に、外歯歯車と内歯歯車の歯数差に応じてキャリアが回転する。偏心揺動型の歯車伝動装置は、非常に大きなギアレシオを得ることができる。

歯車伝動装置の中には、複数のクランクシャフトを備え、夫々のクランクシャフトにモータが連結しているタイプがある。そのような歯車伝動装置の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の歯車伝動装置は、各クランクシャフトにラジアルギャップタイプのモータが連結している。

特開２００９−１５９７２５号公報

多くの歯車伝動装置では、ラジアルギャップモータとして、ＵＶＷ３相交流で駆動される交流同期モータがよく使われる。本明細書は、複数のクランクシャフトを備える偏心揺動型の歯車伝動装置の多くが３本のクランクシャフトを有することに着眼し、３相交流で駆動される交流同期モータでなく単相モータを採用し、構造が簡単でスムーズに回転する歯車伝動装置を提供する。特に、一つの３相交流出力インバータでスムーズに回転することのできる歯車伝動装置、及び、そのような歯車伝動装置を使った駆動ユニットを提供する。

本明細書が開示する新規な歯車伝動装置は、３本のクランクシャフトのそれぞれに単相クローポールモータが連結していることを特徴とする。単相クローポールモータは、コイルを取り囲んだプレス板金構造のヨークを有し、そのヨークの軸方向の両サイドからくし歯状の磁極（ポール）が交互に延びているステータの中に、円筒形の多極永久磁石のロータを配した構造を有する。ポールの形状がclaw（鳥獣の爪や，カニやエビのはさみ）に似ていることからそのようなモータはクローポール型と呼ばれている。

３本のクランクシャフトは、一つのキャリアに支持されており、同一の外歯歯車を駆動する。それゆえ、本明細書が開示する新規な歯車伝動装置は、３個の単相クローポールモータで同一の外歯歯車を駆動する。３個の単相のクローポールモータは、一つのＵＶＷ３相交流出力インバータの各相の出力を個別に使うのに都合がよい。上記の歯車伝動装置は、一つのＵＶＷ３相交流出力インバータで３個の単相クローポールモータを同時に駆動し、３本のクランクシャフトを介して同一の外歯歯車にトルクを伝える。３個のクローポールモータは一つの３相交流出力インバータで同時に駆動されるので、３個のロータの回転が均一である。その上、トルクは３個のクローポールモータと３本のクランクシャフトを介して外歯歯車に均等に伝わる。従って外歯歯車がスムーズに回転する。３個のクローポールモータを一つの３相交流出力インバータで駆動できるので、本明細書が開示する新規な歯車伝動装置は、電気系統の構造が簡単となる。構造が簡単でスムーズに回転する歯車伝動装置が得られる。なお、複数の外歯歯車を備える場合は、それぞれの外歯歯車を３本のクランクシャフトが同時に駆動する。

構造を簡単にするためには、単相クローポールモータのロータがクランクシャフトに同軸に固定されているのがよい。また、３個のクローポールモータの幾何学的な位相を調整するのに、ロータとクランクシャフトは、３の倍数の数の溝（又はキー）を有するスプライン又はセレーションにて結合することが好ましい。そのようなスプライン結合またはセレーション結合は、３の倍数の回転分解能を有する。３個の単相クローポールモータは、その電気的な位相が互いに１２０度ずれている必要がある。相互の位相差を均等にするには、ロータとクランクシャフトの結合機構が３の倍数の回転分解能を有していると好都合である。

上記したように、３個の単相クローポールモータを有する歯車伝動装置は、一つの３相交流出力のインバータで駆動するのに好都合である。本明細書が開示する技術の別の側面は、上記した３個の単相クローポールモータを有する歯車伝動装置と、３個の単相クローポールモータの夫々に電気的な位相が１２０度ずれた交流電流を供給する一つの３相交流出力インバータを備える駆動ユニットを提供する。

本明細書が開示する歯車伝動装置の特徴とさらなる改良は、発明の実施の形態にて詳しく説明する。

歯車伝動装置の断面図を示す。 モータカバーを取り外した歯車伝動装置の平面図を示す。 モータの分解斜視図を示す。 ３個のモータの相互の位相関係を示す模式的平面図である。 駆動ユニットのブロック図である。

図１に実施例の歯車伝動装置１００の断面図を示し、図２に、モータカバー４０を外した歯車伝動装置１００をその軸線ＣＬの方向から見た平面図を示す。以下では便宜上、歯車伝動装置を単に「伝動装置」と称する。図１の断面図は、図２のＡ−Ａ線にて見た断面に相当する。

伝動装置１００の構造を概説する。伝動装置１００は、３個の単相クローポールモータ５０ａ、５０ｂ、及び、５０ｃを内蔵した偏心揺動型の減速機である。偏心揺動型の減速機は、サイクロイド減速機とも呼ばれる。伝動装置１００は、内面に内歯歯車２８を備えたケース２にキャリア８が支持されており、そのキャリア８に３本のクランクシャフト３２が支持されており、そのクランクシャフト３２が２個の外歯歯車２６を回転させる構造を有している。２個の外歯歯車２６は係合貫通孔２５を有し、その係合貫通孔２５にクランクシャフトの偏心体２４が係合している。３本のクランクシャフト３２が回転すると、外歯歯車２６が内歯歯車２８と噛み合いながら内歯歯車の内周を周回する。外歯歯車２６が一周したとき、内歯歯車２８と外歯歯車２６の歯数差に対応した角度だけキャリア８が回転する。キャリア８が伝動装置１００の出力軸に相当する。

キャリア８に３個の単相クローポールモータ５０ａ、５０ｂ、及び、５０ｃが固定されており、それぞれのモータのロータ５４は、３本のクランクシャフト３２のそれぞれに連結している。図１には１本のクランクシャフト３２と１個のクローポールモータ５０ａのみが描かれているが、図２に示すように、伝動装置１００は３本のクランクシャフト３２を有し、夫々のクランクシャフト３２に単相クローポールモータ５０ａ、５０ｂ、及び、５０ｃが連結している。以下、単相クローポールモータを単純に「ＣＰモータ」と称する。また、３個のＣＰモータ５０ａ、５０ｂ、及び、５０ｃをまとめて「ＣＰモータ５０」と総称することがある。

ＣＰモータ５０について説明する。ＣＰモータ５０のロータ５４は、クランクシャフト３２の端に連結している。ＣＰモータ５０のステータ５２は、キャリア８に固定されている。図３にＣＰモータ５０の分解図を示す。ステータ５２は、コイル６２と、コイル６２を収める一対のステータハーフケース６１、６３で構成される。なお、図３では、コイル６２を一つのリングで簡略化して表している。夫々のステータハーフケース６１、６３は、互いに対向するくし歯６１ａ、６３ａを有しており、一対のステータハーフケース６１、６３が向かい合わせに結合すると、それぞれのくし歯が周方向に交互に並ぶ。ステータハーフケース６１、６３内に納められたコイル６２に電流を流すと、一方のくし歯（例えば６１ａ）がＮ磁極となり、他方のくし歯（例えば６３ａ）がＳ磁極となる。即ち、ＣＰモータでは、一つのコイル６２によって、ステータ５２に複数のＮ磁極とＳ磁極が周方向に交互に並ぶ。コイル６２の電流が逆転すると、ステータ５２の磁極が反転する。ロータ５４には周方向に複数の永久磁石が交互に並んでいる。本実施例のＣＰモータ５０は、２４極のステータ５２と１２極のロータ５４で構成される。ステータ５２の磁極を所定の周波数で反転させるとロータ５４が回転する。それゆえ、その回転速度は、磁極反転の周波数に同期する。ＣＰモータ５０は、単相でロータをスムーズに回転させることができる。ＣＰモータ５０の原理はよく知られているのでさらなる詳しい説明は省略する。

ロータ５４の中心にはスプライン溝６６が形成されている。クランクシャフト３２の端部にはスプラインキー６７が形成されている。ロータ５４とクランクシャフト３２は、スプライン結合にて連結される。スプライン溝６６は３の倍数の溝を有し、スプラインキー６７は３の倍数のキーを有する。図３のスプライン溝６６は１２個の溝を有し、スプラインキー６７は１２個のキーを有するので、それらの結合は、３０度の分解能を有する。

図４に、３個のＣＰモータ５０ａ、５０ｂ、及び５０ｃの相互の位相の関係を模式的に示す。ロータ５４に記した三角マークＡｒと、ステータ５２に示した三角マークＡｓとの間の角度が位相を示す。図４では、第１のＣＰモータ５０ａの位相は０度であり、第２のＣＰモータ５０ｂの位相は１２０度であり、第３のＣＰモータ５０ｃの位相は２４０度である。このように３個のＣＰモータ５０ａ、５０ｂ、及び、５０ｃは、相互に１２０度の電気的な位相差を有する。３個のＣＰモータの相互の位相差を等しくするのに、クランクシャフト３２とロータ５４の結合の回転分解能が３の倍数であることは、都合がよい。

３個のＣＰモータ５０はそれぞれクランクシャフト３２を駆動する。３本のクランクシャフトは２個の外歯歯車２６（図１参照）のそれぞれを駆動する。図２に示すように、３個のＣＰモータ５０（３本のクランクシャフト３２）は、伝動装置１００の軸線ＣＬの回りに１２０度の角度で等間隔に配置されており、さらに３個のＣＰモータ５０は、相互に１２０度の電気的な位相差を有する。そのような配置は、同一の外歯歯車２６をスムーズに回転させる。即ち、伝動装置１００の出力軸（キャリア８）は、上記した３個のＣＰモータ５０により、スムーズに回転する。

一つの３相交流出力のインバータを使うと伝動装置１００の出力軸（キャリア８）をさらにスムーズに回転させることができる。３個のＣＰモータ５０を駆動するには３個の単相交流電力が必要である。一つで３相交流を出力することのできる３相交流出力インバータは、実施例の伝動装置１００を駆動するのに好都合である。また、３相交流出力インバータは、３相交流同期モータのドライバとして様々な種類が広く普及しており、伝動装置１００の仕様に応じたタイプが容易に入手できる利点がある。

図５に、伝動装置１００と一つの３相交流出力インバータ７４で構成される駆動ユニット２００の電気系のブロック図を示す。インバータ７４は、ＩＧＢＴと還流ダイオードの逆並列接続で構成される６個のスイッチング回路ＳＷ１〜ＳＷ６を備える。２個のスイッチング回路が正極線（Ｐ線）と負極線（Ｎ線）の間で直列に接続されており、その中点からＣＰモータのコイルに向けて出力線が延びている。２個のスイッチング回路の直列接続が３組構成され、それぞれの組の中点からＵ相、Ｖ相、及び、Ｗ相の交流電流が出力される。ＵＶＷ３相のそれぞれの単相交流出力は、３個のＣＰモータのステータ５２に供給される。３相交流出力は相互に１２０度の位相を有しているから、３個のＣＰモータ５０を１２０度の位相差で同期して回転させるのに好都合である。なお、インバータ７４には直流の入力電力が必要であるため、商用交流電源７１の出力はＡＣ／ＤＣコンバータ７２によって直流に変換され、その直流が３相交流出力インバータ７４に入力される。ＡＣＤＣコンバータ７２とインバータ７４の間に接続されたコンデンサ７３は、インバータ７４の入力電流を平滑化するために備えられている。

図１に戻り、伝動装置１００のその他の特徴を詳しく説明する。伝動装置１００は、ケース２とキャリア８とクランクシャフト３２と外歯歯車２６とＣＰモータ５０を備える。ケース２の内側に内歯歯車２８が備えられている。複数の内歯ピン３０がケース２の円筒内面にて周方向に等間隔に配置されており、その内歯ピン３０が内歯歯車２８を構成する。

キャリア８は、一対のアンギュラ玉軸受４によって、ケース２に支持されている。キャリア８は、内歯歯車２８と同軸となるようにケース２に支持される。軸線ＣＬが、キャリア８の軸線に相当する。軸線ＣＬは、内歯歯車２８（ケース２）の軸線にも相当する。キャリア８は、伝動装置１００の出力軸に相当する。キャリア８は、対向する一対のディスク（第１プレート８ａと第２プレート８ｃ）と、それらを繋ぐ柱８ｂで構成される。柱８ｂは、外歯歯車２６のオフセンター貫通孔４６を通過している。

ケース２とキャリア８の間にオイルシール６が配置されている。キャリア８の軸線ＣＬ方向の一端に、モータカバー４０が取り付けられている。キャリア８とモータカバー４０の中央を貫くように、中央貫通孔１２が形成されており、その中央貫通孔１２に円筒パイプ４２が嵌められている。円筒パイプ４２とキャリア８（８ｃ）の間は、オイルシール４１で封止されている。モータカバー４０、オイルシール６、４１、及び、キャップ１９（後述）によって、歯車群を収容したケース内空間が密閉され、潤滑剤が封入されている。

クランクシャフト３２は、一対の円錐ころ軸受２３によって、キャリア８に支持されている。クランクシャフト３２は、軸線ＣＬからオフセットした位置で、軸線ＣＬに平行に延びている。図の符号ＲＬが、クランクシャフト３２の中心線を示している。クランクシャフト３２は、２個の偏心体２４を備えている。２個の偏心体２４は、夫々が外歯歯車２６に係合している。２個の偏心体２４は、クランクシャフト３２の軸線ＲＬに対して互いに反対方向に偏心している。２個の偏心体２４は、一対の円錐ころ軸受２３の間に位置するので、変動することなくスムーズに回転する。

クランクシャフト３２の一方の端にはＣＰモータ５０のロータ５４が連結され、他方の端にはエンコーダ１８が取り付けられている。クランクシャフト３２の他端、即ち、エンコーダ１８は、キャップ１９に覆われ、外部から隔離されている。なお、エンコーダ１８は、３個のクランクシャフト３２のうちの１個に取り付けられている。他の２個のクランクシャフト３２には、ブレーキ（図示省略）が取り付けられている。

実施例の伝動装置１００に関する留意点を述べる。クランクシャフト３２とロータ５４は、スプラインに代えてセレーションによって結合するものであってもよい。セレーションを採用する場合も、セレーションの溝（あるいはキー）の数は、３の倍数であることが好ましい。

伝動装置１００は、３個のＣＰモータ５０が連結されたクランクシャフト（駆動クランクシャフト）に加え、外歯歯車２６の回転力によって受動的に回転する補助的なクランクシャフト（従動クランクシフト）を備えていてもよい。クランクシャフトの数が多いほど、外歯歯車２６の回転が安定する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ケース
４：アンギュラ玉軸受
６：オイルシール
８：キャリア
１２：中央貫通孔
２３：軸受
２４：偏心体
２５：係合貫通孔
２６：外歯歯車
２８：内歯歯車
３０：内歯ピン
３２：クランクシャフト
５０（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）：単相クローポールモータ
５２：ステータ
５４：ロータ
６１、６３：ステータハーフケース
６２：コイル
６６：スプライン溝
６７：スプラインキー
７１：商用交流電源
７２：ＡＣ／ＤＣコンバータ
７３：コンデンサ
７４：３相交流出力インバータ
１００：歯車伝動装置
２００：駆動ユニット

Claims (5)

1. ３本のクランクシャフトを有する偏心揺動型の歯車伝動装置であり、３本のクランクシャフトのそれぞれに単相クローポールモータのロータが同軸に連結しており、
   前記ロータと前記クランクシャフトは、３の倍数の数の溝を有するスプライン又はセレーションにて結合していることを特徴とする歯車伝動装置。
2. ３個の前記単相クローポールモータの電気的な位相が相互に１２０度ずれていることを特徴とする請求項１に記載の歯車伝動装置。
3. 請求項１に記載の歯車伝動装置と、３個の前記単相クローポールモータの夫々に位相が１２０度ずれた交流電流を供給する一つの３相交流出力インバータを備えることを特徴とする駆動ユニット。
4. ３本のクランクシャフトを有する偏心揺動型の歯車伝動装置であり、３本のクランクシャフトのそれぞれに単相クローポールモータが連結しており、
   ３個の前記単相クローポールモータの電気的な位相が相互に１２０度ずれていることを特徴とする歯車伝動装置。
5. ３本のクランクシャフトを有する偏心揺動型の歯車伝動装置であり、３本のクランクシャフトのそれぞれに単相クローポールモータが連結している歯車伝動装置と、
   ３個の前記単相クローポールモータの夫々に位相が１２０度ずれた交流電流を供給する一つの３相交流出力インバータと、
   を備えることを特徴とする駆動ユニット。

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