JP6783903B2 - ギヤレス減速機又は増速機 - Google Patents

Description

＜関連する出願への相互参照＞
この出願は、２０１３年１１月２０日に出願された米国仮出願第６１／９０６，５６９号のアメリカ合衆国法典第３５巻第１１９条第（ｅ）項の下での優先権を要求するものであり、その開示は、参照によって本明細書に組込まれる。
この発明はギヤレス減速機又は増速機に関する。この発明は、特に入力軸から出力軸に回転力を伝達し、１組の玉軸受を用い、かつギヤを用いることなく入力軸より大きいか又は小さい速度で第２軸が回転する装置に関する。

増速又は減速するために使用される従来の装置では、入力軸と出力軸の間の接続はギヤの使用を介してなされる。１つの軸上の内歯歯車は、１つの軸から別の軸に力を伝達するように、別の軸上の外歯車と協働する。当該２つの軸が異なる半径を有する場合、１つの軸の速度は別の軸の速度と異なる。

しかしながら、この配列に関する問題は、それらの間の遊びを持たない正確に機械加工されたギヤを作成することが非常に難しいことである。この遊びは軸が配置される機械には不正確へと導く。宝石製造や回路基板など、非常に正確な位置決めを要求する動作には、従来のギヤに基づく減速機は最適ではない。

米国特許第８，０３３，９５３号はこれらの問題を解決するギヤレス減速機又は増速機を提供するものであり、その開示は参照によって本明細書に組込まれる。しかしながら、正確な製造公差を要求しないこの類型の装置を提供することは望ましい。

したがって、本発明の目的は、非常に正確な許容差を達成することができる減速機あるいは増速機を提供することである。本発明の他の目的は、ほとんど部品がなく容易に製造することができる減速機又は増速機を提供することである。

これらの目的或いは他の目的は、入力軸、出力軸、および該入力軸に接続されたモーターを含む、ギヤレス減速機又は増速機によって達成される。前記軸のうちの１つに接続された外部レースと、別の軸に取り付けられた内部レースが存在する。２つの玉軸受が、レース間で緩く配置される。玉軸受が差し込まれた後、ボール用のポケットを形成するために、前記軸は、互いに傾けられ、その結果、ボールは適所に保持され、レース内で滑ることができない。ポケットは、互いにレースを傾斜すること、および内部レースと外部レースの互いに対する曲率によって形成される。ポケットは、ボールがその現在位置から出ることができないように、傾斜によってボールのいずれかの側のクリアランスを減少することにより作成される。レース間のポケット内に制限される場合、ボールがスリップしないので、軸のうちの１つを回転させることはこのように別の軸を回転させる。代わりに、入力軸の回転は玉軸受を回転させ、ついで出力軸を反対方向に回転させる。外部レースに対する内部レースの直径の比は、減速あるいは増速の程度を決定するものである。内部および外部レースの間の大きさの差が大きいほど、減速あるいは増速は大きい。外部レースが内部レースの外部（コンタクト）直径の２倍の内部（コンタクト）直径を持っていれば、外部レースに対する内部レースの速度比は、２：１である。

ボールがレース内で自由に回転できるように、システムは一直線に軸を後ろ（逆）向きに旋回することにより分離することができる。

互いに軸を係合するのに要求される傾斜量は、レースとボールの間で存在する遊びの量に依存する。軸は、その場にとどまるように、ボールを捕らえるためにちょうど十分なだけ傾けられる。傾斜は、両方のボールとレースの中心を通る軸芯のまわりで生じる。この軸芯は軸の長手方向の軸に垂直である。

システムが増速器として使用されるか、或いは減速機として使用されるかに依存して、内部レースは入力軸か或いは出力軸のいずれかに取り付けられ得る。減速のために、内部レースは入力軸に取り付けられる。増速のために、外部レースは入力軸に取り付けられる。一旦適切な傾斜角が作成されれば、軸は適所に固定することができ揺れのない力を保証する。入力軸の１回転が、外部レースのより大きな直径により、出力軸の僅かな回転を引き起こすので、減速が行なわれる。

システムは、中間軸のいずれか一方の端に配列された伝導装置のうちの２つを使用してセット・アップすることができる。入力軸は第１の伝導装置を通して力を伝達し、出力軸を回転させる。この出力軸は、中間軸の一部を形成し、別の伝導装置に接続され、しかる後、第２の伝導装置の最終出力軸に力を伝達する。２つの伝導装置の使用によって、減速の最大量が達成され得、２つの伝導装置の角度を設定することができ、その結果、入力軸と最終出力軸が互いに平行に回転する。中間軸は中空のスリーブとして構成することができ、当該スリーブに第１の減速機の出力軸が差し込まれる。第２の伝導装置の入力軸はスリーブの他端に差し込まれる。

軸は、回転に逆らってスリーブの適所に保持される。これはいくつかの方法で達成することができる。一実施形態では、軸とスリーブは、一連のボール軌道が設けられ、玉軸受はそこに配置される。玉軸受はスリーブの中で回転に逆らって軸を保持する。他の実施形態では、キー溝が設けられる。スリーブは、軸の長手方向の溝の内部で滑る長手方向の隆起或いはその逆が設けられ得る。これは、さらにスリーブ内の軸の回転を防ぐ。スリーブに対する回転は防がれる一方で、軸はスリーブ内で長手方向に移動することができ、減速機に適切な引張力を得る。この引張力はバネによって遂行される。それは減速機中の対応するレースに対して軸およびそれらの関連するレースを押す。これは、回転運動が伝導装置を通して伝達され伝導装置でのボールによってどんな滑りも防ぐことを保証する。スリーブには、好ましくはスリーブ内の軸の過度の軸方向の移動を防ぐ係止要素が設けられている。

別の実施形態では、軸は筐体内で支持され、フィンガーアシストが筐体内に取り付けられ、ボールをレース内の位置に押圧する。フィンガーアシストはリジッドな突起であり、レース内に伸び、適切な位置にボールを押圧する。正確な製造公差が達成されなくても、これはユニットを良好に機能する。フィンガーアシストは、ボールと接触する曲面を有し得、該曲面はボールとのより大きい接触を与え、及び／又は接触面上にゴム引きされたコーティング又はパッドを持つことができ、ボールとの摩擦を増大して、過度な運動を防ぐ。１つのフィンガーアシストが各ボールのために提供することができる。フィンガーアシストは、固定して筐体に接続することができるか、あるいは枢動するように取り付けることができる。枢動するマウントは、フィンガーアシストがボールとの最も大きな量の接触を達成することを可能にする。

本発明の他の目的及び特徴は、添付図面に関して熟慮した次の詳細な記載から明白になる。図面はあくまでも例証として設計されたものであり、本発明の限定の定義として設計されたものではないことは理解されるべきである。図面において、類似の参照符号はいくつかの図を通じて類似の要素を示す。

図１は、破線で示される玉軸受を備えた本発明による伝導装置の平面図を示す； 図１Ａは、図１の内部レースおよび外部レースの横断面図を示す； 図２は、図１の伝導装置の側部横断面図を示す； 図２Ａは、図２に示される装置の斜視図を示す； 図３は、図１の伝導装置の上部断面図を示す； 図４は、本発明による伝導システムの側部横断面図を示す； 図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図を示す； 図６は、軸とスリーブの代替の装置の横断面図を示す； 図７は、図４に示される本発明による伝導システムの平面図を示す； 図８は、本発明によるフィンガーアシストを有する装置の内部を示す； 図９は、図８の装置の他の図を示す； 図１０は、フィンガーアシストの別の変形例を示す； 図１１は、フィンガーアシストが枢動自在である更なる実施形態を示す。 図１２は、フィンガーアシストが枢動自在である更なる実施形態を示す。

ここで図面を詳細に参照すると、図１は、本発明の一実施形態による伝導装置の平面図を示す。伝導装置（１）は内部レース（１５）に接続された入力軸（１０）と、外部レース（１６）に接続された出力軸（１１）を含む。２つのレース間には、この図の破線で示される２つの玉軸受（１４）が存在する。モーター（２０）は入力軸（１０）に接続される。
内部レース（１５）は外部レース（１６）に角をなしてオフセットされて配置される。その結果、玉軸受（１４）は遊びを持たないレース間のポケットに保持される。オフセットは、図２−３に示されるＹ軸のまわりをレースの１つを枢動させることにより生じる。ボールを保持するのに必要なオフセットの程度は、レースウェイの曲率、ボールの大きさ、およびオフセットされる前のレースにおけるボールの遊びの量に依存する。この枢動は、ボールを収容するためのポケットを生成し、各ボール（１４）の両側でのクリアランスを低減して、レースに沿ってボールが滑る能力を除去する。ボール（１４）は、常にレースの中で１８０度離間して保持され、レースの枢動又はオフセットはボール（１４）によって生成された軸芯のまわりで生じる。入力軸（１０）の回転は出力軸（１１）を回転させるが、異なる速度で回転させる。速度減少または増加は、内部レースと外部レースの直径間の比に直接依存する。

図２は本発明による伝導装置（１）の側部断面図を示し、図３は図１に示される図と同じ図である上部断面図を示す。図２Ａは、伝達要素（１）の斜視図を示す。ここで、外部レース（１６）が内部レース（１５）に関して枢動されることが明確に示される。この枢動はＹ軸のまわりで起こり、ボール（１４）のためのポケットを形成する。レースの捩れはボール・ケージの残りへのアクセスを遮断し、ボール（１４）がレース内で滑るのを防止する。

図１Ａは、速度減少／増加機構の詳細な図を示す。図１−３に示される図では、装置は減速機である。この装置では、内部レース（１５）は入力軸（１０）に接続され、外部レース（１６）は出力軸（１１）に接続される。モーター（２０）による内部レース（１５）の回転はベアリング（１４）を同様に回転させる。なぜなら、ベアリングが内部レース（１５）と外部レース（１６）の間で作成されたポケット内で滑りなく保持されるからである。
その後、ベアリング（１４）の回転は外部レース（１６）を回転させ、従って出力軸（１１）を回転させる。出力軸（１１）は外部レースに結合されている。２つのレースの異なる直径により、外部レース（１６）の回転の程度は内部レース（１５）の回転の程度未満である。
内部レース（１５）の外接直径（ｄ）と外部レース（１６）の内接直径（Ｄ）の間の差が大きいほど、速度減少あるいは速度増加の程度は大きい。内接直径及び外接直径は、各々が玉軸受（１４）と接触する内部レースの直径及び外部レースの直径に基づく。

軸（１０）および（１１）が互いに平行であるように、レース（１５）および（１６）を枢動することが、玉軸受（１４）を解放し、力の伝達を止める。本発明によるシステムは従来の歯車伝導に対して大きな長所を持っている。なぜなら、一度軸が回転してボールを適所で捕らえると、レース間には事実上滑りがないからである。更に、滑り或いは摩擦が存在しないので、ボールとレース上の摩耗は最小である。

図４および７は、上記伝導装置の２つを有する伝導システムの伝導装置の実施形態を示す。当該システムにおいて、外部レース（１６）に接続された１つの伝導システムの出力軸（１１）は、入力軸（３９）および内部レース（１７）を有する第２の伝導システム（２）に中空のスリーブ（３０）を介して接続される。図７に示されるように、内部レース（１７）は、ついで外部レース（１８）および第２の出力軸（４０）に玉軸受によって結合される。図４と、図５に示される横断面図に示されるように、軸（１１）および（３９）は軸（１１）、（３９）およびスリーブ（３０）それぞれの切り欠きチャネル（２８）および（２９）内で転がる一連の玉軸受（２７）によって、回転しないようにスリーブ（３０）内に保持される。この装置は、軸（１１）と（３９）がスリーブ（３０）で軸方向に（即ち、長手方向の軸Ａに沿って）滑るが、スリーブ（３０）と共にのみ回転することを可能にする。チャネル（２８）、（２９）の代替として、キー溝配列は図６に示されるように提供され得る。ここで、チャネルとボールの代わりに、軸は、スリーブ（３０）に接続された隆起部（３４）と軸（１１）又は（３９）に切り込みされた溝（１９）によって回転しないように適所に保持される。隆起部（３４）は溝（１９）内で滑り、軸方向移動を可能にするが、スリーブ（３０）に対して回転を可能にしない。軸（１１）、（３９）の過度の軸方向運動を防ぐために、突部（３３）、（３４）から形成された係止機構は、軸（１１）、（３９）およびスリーブ（３０）の間で配列される。突部（３３）は突部（３３）同士間の距離に軸（１１）、（３９）の運動を制限する。なぜなら突部（３４）は突部（３３）によっていずれかの側で形成された障壁を通過することができないからである。軸方向運動を制限する他の方法も使用することができる。

スリーブ（３０）は、玉軸受（３１）、（３２）によって適所に保持される。玉軸受、滑り軸受を備えたケージ、あるいはモーター（２０）が駆動しているときスリーブ（３０）が回転することを可能にする他の適切な装置などスリーブ（３０）を適所に保持するための他の手段も使用され得る。

適切な位置きめでレースを維持するため伝導装置（１）および（２）に適切な押圧を保証するために、図４および７に示されるように、バネ（２５）が使用され得る。バネ（２５）は玉軸受（１４）の適切な噛み合いを保証するためにレース（１５）および（１８）に対して玉軸受を押圧するためにレース（１６）および（１７）に作用する。バネ（２５）はスリーブ（３０）上の係止部（４２）に支持される。互いにレースの押圧を保証する他の手段も使用することができる。

図７に示されるように、２つの伝導装置（１）、（２）の使用によって、軸は位置することができる。その結果、第２の出力軸（４０）が入力軸（１０）と平行で、それにより、互いに特定の角度でセットされた軸をもつという潜在的な複雑性を回避する。２元伝導装置は、また速度減少又は速度増加の２倍を可能にする。本発明のシステムは、実際に軸間の遊びなしに、非常に正確な回転運動伝導を提供する。これは、宝石製造、回路基板製作および他の多くの産業の中などにおけるように、部品の非常に正確な位置きめ要求する用途に本発明の理想のシステムを作る。更に、本発明によるシステムは構築するためにより簡単であり、ギヤに基づいたシステムほど速く磨耗せず、それにより、コストと保全時間を減じる。

図８および９は、本発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、入力軸（１０）および出力軸（１１）は、筐体（３０）に回転自在に取り付けられる。２つのフィンガーアシスト（３２）、（３３）は筐体（３０）に固定して取り付けられ、内部レース（１５）と外部レース（１６）の間のそれらの適切な位置にボール（１４）を押圧する。この実施形態では、フィンガーアシスト（３２）および（３３）はバネ鋼で作られるが、コイルばね又はボールを適所に押し込む他の適切な方法も使用され得る。このフィンガーアシスト（３２）、（３３）を使用することによって、ユニットの製造公差はより緩くなり得、それは製造経費を低減する。また、ユニットは１つの方向のみで働き、ボールが押されている方向とは反対の方向にボール（１４）の自由なスピンを可能にする。これは、ユニットが逆駆動されるのを防止する。所望の位置は静止摩擦によって生成される自然のポケットとして定義され得る。

図９は傾斜位置での入力軸（１０）を示し、出力軸に力を伝達するためにボール（１４）を係合する。この実施形態では、軸（１０）は反時計回りの方向で回転している。フィンガー（３２）は左にボール（１４）を押し、フィンガー（３３）は右に他のボール（１４）（図示せず）を押す。これはユニットの係合を助ける。

図１０−１２は、本発明の他の変形例を示し、フィンガーアシスト（３２）は、ボールの形状に追従するように曲げられている。これは、装置の安定性を増加させて、システムに対する応力を減らす。さらに、ｖｉｔｏｎ（登録商標）またはゴムなどの弾性材料（３７）のコーティング又は層は、フィンガーアシスト（３２）の内表面に置くことができ、ボール（１４）と接触するフィンガーアシスト（３２）の表面積の大きさを増加させる。

図１１−１２では、フィンガーアシストは軸（３５）に取り付けられた垂直の基部（３４）によって形成された枢動機構で示され、該軸（３５）は筐体（３０）におけるボア（３６）に枢動自在に位置付けられている。これはフィンガーアシスト（３２）がシステムの運動と共に枢動することを可能にし、さらシステムの引張力と磨耗を低減する。ボール（１４）が時計方向に回転すると、枢動するフィンガーアシスト（３２）は反時計方向に回転しようとする。これは、ボール（１４）とフィンガーアシスト（３２）の間により多くの圧力を印加する。

枢動するフィンガーアシスト（３２）は、フィンガーアシスト（３２）の半径対枢動点の半径故にほんの僅かに枢動することができる。圧力上昇の割合は、枢動するフィンガーアシストを押すボール上の流体の速度と、潤滑の剪断強さによって決定される。

フィンガーアシスト（３２）、（３３）は図１−７に示されるシステムの変形例のいずれかと共にも使用することができ、正確な製造公差が満たされていない時でさえ、システムの有効性を増加させる。

従って、本発明のほんのいくつかの実施形態が示され記載された一方で、多くの変更および修正が本発明の精神および範囲から逸脱せずになされ得ることは明白である。

Claims (19)

1. 伝動装置であって、
   入力軸と、
   出力軸と、
   前記入力軸と前記出力軸のうちの１つの一端に取り付けられた外部レースと、
   前記入力軸と前記出力軸のうちの他の１つの一端に取り付けられた内部レースであって、前記内部レース及び前記外部レースが同軸状に配列されて玉軸受用のケージを生成する内部レースと、
   ケージ内で互いに１８０度離間して配置された少なくとも２つの玉軸受と、を備え、
   前記入力軸及び前記出力軸が筐体内に回転自在に取り付けられ、前記フィンガーアシストは、前記筐体に固定して取り付けられ、
   前記フィンガーアシストは、前記ケージ内の位置に前記玉軸受の各々を押圧するように取り付けられ、
   前記レースは、ボールがレース同士間のポケットに捕らえられ、レース内を滑ることができないように、前記ボールの各々を貫く軸のまわりを互いに枢動し、これによって、前記入力軸の回転は、前記入力軸の速度とは異なる速度で前記出力軸を回転させる伝導装置であって、
   前記入力軸及び前記出力軸は筐体内に回転自在に取り付けられ、前記フィンガーアシストは、当該筐体内で枢動するように取り付けられてなる、
   ことを特徴とする伝導装置。
2. 前記内部レースは前記入力軸に配置され、前記外部レースが前記出力軸に配置される、請求項１に記載の伝導装置。
3. 前記外部レースは前記入力軸に配置され、前記内部レースが前記出力軸に配置される、請求項１に記載の伝導装置。
4. 前記入力軸を回転させるために前記入力軸に接続されたモーターをさらに含む、請求項１に記載の伝導装置。
5. 請求項１に記載の伝導装置を少なくとも２つ備えた回転力を伝達するためのシステムであって、
   前記伝動装置同士が中間カップリングを介して互いに接続され、
   第１の伝導装置の入力軸の回転は、２つの伝導装置を介して回転力を第２の伝導装置の出力軸に伝達することを特徴とするシステム。
6. 前記中間カップリングは２つの端部を有する中空スリーブを含み、
   前記伝動装置の第１の伝動装置の出力軸は前記中空スリーブの一端に配置され、
   前記伝動装置の第２の伝動装置の入力軸は前記中空スリーブの他端に配置されている請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１の伝動装置の出力軸と前記第２の伝動装置の入力軸は前記中空スリーブに結合され、これによって、前記出力軸及び入力軸が前記中空スリーブの長手方向の軸に沿って移動することができ、前記中空スリーブに対して回転できない請求項６に記載のシステム。
8. 互いにレースを押圧するために伝達装置のそれぞれの一方の側に接続された押圧要素をさらに含む請求項６に記載のシステム。
9. 前記押圧要素がバネである、請求項８に記載のシステム。
10. 前記第１の伝導装置の出力軸および前記第２の伝導装置の入力軸には、長手方向の溝が設けられ、
    前記中空スリーブには対応する長手方向の溝が設けられ、
    前記出力軸及び入力軸と前記中空軸によって生成された空間内に配置された玉軸受であって、前記軸を軸方向に移動可能にするが、前記中空スリーブ内では回転不可にする玉軸受を更に備える請求項７に記載のシステム。
11. 前記中空スリーブには長手方向の隆起部が設けられ、
    前記第１の伝導装置の出力軸および前記第２の伝導装置の入力軸には各々長手方向のチャネルが設けられ、
    前記隆起部は前記チャネル内で滑り、前記スリーブに対して回転運動なしに前記出力軸及び入力軸の軸方向移動を可能にする請求項７に記載のシステム。
12. 前記第１の伝導装置の出力軸と前記第２の伝導装置の入力軸の予め定義した限界を越えた軸方向の移動を防止するために前記中空スリーブに位置づけられた係止機構をさらに含む請求項７に記載のシステム。
13. 前記中空スリーブのまわりに配置され、前記中空スリーブを支持し、前記中空スリーブの回転を可能にする軸受装置を更に含む請求項６に記載のシステム。
14. 前記軸受装置が少なくとも２つのローラベアリングを含む請求項１３に記載のシステム。
15. 前記入力軸及び出力軸が筐体内に回転自在に取り付けられ、前記フィンガーアシストは、前記筐体に固定して取り付けられる請求項１に記載の装置。
16. 前記玉軸受と接触するフィンガーアシストの表面が曲げられる請求項１に記載の装置システム。
17. 前記フィンガーアシストは筐体内で枢動するように取り付けられる請求項１５に記載のシステム。
18. 前記玉軸受と接触するフィンガーアシストの表面に弾性材料を更に含む請求項１に記載の装置。
19. 前記フィンガーアシストはバネ鋼で出来ている請求項１に記載の装置。

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