JP7025801B1 - 差動機構 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型で差動誤差を減少させることができる２自由度の差動機構を提供すること。【解決手段】差動機構７０は、本体フレームに回転可能に設けられた回転フレーム７１と、円筒状に形成されて回転フレーム７１の外周を覆い且つ回転フレーム７１の同軸上に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギア８０と、回転フレーム７１にこの回転フレーム７１の軸直交方向に回転可能に設けられ内ウォームギア８０に噛み合うウォームホイール９０と、を備えている。【選択図】図４

Description

本発明は、ウォームギアと、ウォームホイールとを備えた２自由度の差動機構に関する。
近年、ロボットに対する自動化が推進され、カメラ、ロボットアーム等の位置及び向きを複数の自由度で調整することが求められている。
一般的に、多関節ロボットの代表であるロボットアームなどは、手先側のモータそのものの荷重・慣性による負荷などを根元側のモータが負担する構造であり、経済的な構造ではない。その点、モータを全て固定しながら、多自由度を出力できる差動機構は代替として有望である。このような全てのモータを固定しながら２自由度を与える差動機構を備えた駆動ユニットとして、特許文献１、２に開示される技術が知られている。
特許文献１の駆動ユニットは、回転可能に設けられた回転ケースと、この回転ケース内に設けられた中央のウォームギアと、その周りを公転するウォームホイールとで構成された差動機構とを用いて、先端部に設けられた球体状の歯車が２自由度で出力している。しかし、この構成では中央にウォームギアが配置されるため、それを迂回するように動力伝達要素を配置せざるを得ず、伝達要素の増加による誤差の増加や、差動機構が要する外形（直径）が最低でも、ウォームギアの円筒直径＋ウォームホイールの円筒直径×２、となり、イナーシャが大きく、また小型化が難しい。また小型化するために無理にウォームギアを小さくすると歯の剛性が下がり、伝達力を小さく抑えざるを得ない。
また、特許文献２の駆動ユニットは、第１回転体および第２回転体が、球面の左右を対称に切り落とした外面を有する円環形状を成し、互いの内側に挿入して鎖状に連結されている。回転伝達部が、第２回転体の内側に位置する第１回転体の内側面、及び、第１回転体の内側に位置する第２回転体の内側面にそれぞれ接触するよう、第１回転体及び第２回転体の内側に配置され、所定の軸を中心として回転可能に設けられたはすば歯車を有している。第１回転体及び第２回転体は、回転伝達部のはすば歯車と噛み合うよう、それぞれ内側面に円周方向に沿って設けられたはすば内歯車を有している。しかし、内側の回転伝達部及び第２回転体は同期して共に所定の軸回りに公転するものであり、差動機構として用いていない。
特開２０１９－９０４９５号公報 特開２０１８－１７２０１５号公報
本発明は、以上の点に鑑み、小型で差動誤差を減少させることができる２自由度の差動機構を提供することを課題とする。
［１］本体フレームに回転可能に設けられた回転フレームと、円筒状に形成されて前記回転フレームの外周を覆い且つ前記回転フレームの同軸上に回転可能に設けられ前記円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギアと、前記回転フレームにこの回転フレームの軸直交方向に回転可能に設けられ前記内ウォームギアに噛み合うウォームホイールと、を備え、
前記回転フレーム及び前記内ウォームギアの２つの回転入力に対して、前記ウォームホイールが前記回転フレームと同軸のロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転出力を行うことを特徴とする。
かかる構成によれば、差動機構は、円筒状に形成されて回転フレームの外周を覆い且つ回転フレームの同軸上に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギアと、回転フレームにこの回転フレームの軸に対してねじれの位置で直交する軸まわりに回転可能に設けられ内ウォームギアに噛み合うウォームホイールと、を備えている。内ウォームギアは円筒状部分の内側にらせん状の歯が形成され、内ウォームギアの内側にウォームホイールが配置されているので、差動機構を小型化することができる。
仮に先行技術文献１のウォームギア及びウォームホイールの歯の大きさと、本件の内ウォームギア及びウォームホイールの歯の大きさを等しくした場合、先行技術文献１では回転ケースの内方の中央に別体のウォームギアを配置してこれに噛み合うウォームホイールも配置するので、差動機構が要する外形（直径）が最低でも、ウォームギアの円筒直径＋ウォームホイールの円筒直径×２、となり回転ケースの外径が大きくなる。この点、本発明の内ウォームギアでは外形を形成する円筒状部分の内側に直接らせん状に歯を形成するため、その内方にはウォームホイールのみの配置で済むので、先行技術文献１に比較しても差動機構を小型化することができる。
さらに、本発明では、内ウォームギアの外形を形成する円筒状部分の内側に直接らせん状に歯を形成するので、伝達要素（部品点数）を少なくして差動誤差を減少させることができる。このように、本発明では、小型で差動誤差を減少させることができる２自由度の差動機構を提供することができる。
［２］好ましくは、ウォームホイールは、その歯面が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面を有した平歯車である。
かかる構成によれば、ウォームホイールのピニオン（歯）の歯面が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面であるので、ピッチ円上においてウォームホイールの軸に対して傾斜する内ウォームギアの歯面に滑らかに噛み合うことでき、且つ、伝達先の平歯車の歯面にも滑らかに噛み合うことができる。このため、従来の伝達要素との親和性が高いだけでなく、バックドライバビリティを発現させることもできる。
［３］好ましくは、ウォームホイールは、はすば歯車である。
かかる構成によれば、ウォームホイールは、はすば歯車であり、歯筋がねじれているので、ピッチ円上においてウォームホイールの軸に対して傾斜する内ウォームギアの歯筋に一致して円滑に噛み合う。この場合、伝達先の歯車もはすば歯車とすることで、ウォームホイールは伝達先の歯車とも円滑に噛み合うことができる。このため、従来の伝達要素との親和性が高いだけでなく、バックドライバビリティを発現させることもできる。
［４］好ましくは、回転フレームは、ウォームホイールの位置を調整するウォームホイール位置調整機構を備えている。
かかる構成によれば、ウォームホイール位置調整機構によってウォームホイールの位置が調整されるので、バックラッシの調整を容易に行うことができる。
［５］好ましくは、内ウォームギアは、条数が１又は２以上である。
かかる構成によれば、内ウォームギアの条数を１にするなど、進み角を小さくすることで、一般的なウォームギア同様に、セルフロックができる。内ウォームギアの条数を２以上にすることで、内ウォームギアの大きさを抑えつつ進み角を大きくすることができる。このように、内ウォームギアの条数に範囲を持たせることで、条数と内ウォームギアの直径に応じてバックドライバビリティの発現を任意に設計することができる。
［６］好ましくは、回転フレームの外形の寸法は、回転フレームの軸方向視で、内ウォームギアの内径（歯先円直径）よりも小さい。
かかる構成によれば、回転フレームの軸方向視での、差動機構の最大寸法が、内ウォームギアの外径となるので、全体として小型化を図ることができる。
小型で差動誤差を減少させることができる２自由度の差動機構を提供することができる。
本発明に係る差動機構を備えた関節装置の一例を示す斜視図である。 図１の差動機構を備えた関節装置を示す部分断面図である。 本発明に係る差動機構を備えた駆動ユニットを示す斜視図である。 図３の差動機構を示す要部断面斜視図である。 本発明に係るウォームホイールを示す説明図である。 図５のウォームホイールの各部を示す断面図である。 本発明に係る内ウォームギアを示す説明図である。 図７の内ウォームギアの各部を示す断面図である。 本発明に係るウォームホイールと内ウォームギアの噛み合い状態を示す説明図である。 本発明の別態様に係る差動機構を備えた駆動ユニットを示す斜視図である。 実施例に係る差動機構の作用図と比較例に係る差動機構の作用図である。
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は、本発明に係る差動機構の使用の一例として、差動機構を備えた関節装置の概略構成を概念的（模式的）に示す図面も含むものとする。本明細書において、球状歯車の中心を貫通する直線を第１軸もしくは第２軸という。また、一実施形態としての直交する２つの軸を「ｒ軸」及び「ｅ軸（ｒ軸に対してねじれの位置で直交する方向の軸）」と呼ぶことがある。また、第１軸及び第２軸のうち、一実施形態としての直交する２つの軸を「Ｘ軸」及び「Ｙ軸」と呼ぶことがある。
図１、図２に示すように、差動機構５０、７０を備えた関節装置１０は、第１部材（以下、支持部材という）１１と第２部材（以下、出力部材という）１２との間に設けられている。関節装置１０は、支持部材１１に設けられ、球体を支持可能な球状支持部２１が形成されたホルダー２０と、ホルダー２０の球状支持部２１に回転可能に支持された球状歯車３０と、ホルダー２０のＸ軸の基準位置に設けられ、球状歯車３０を駆動する第１駆動ユニット４０と、ホルダー２０のＹ軸の基準位置に設けられ、球状歯車３０を駆動する第２駆動ユニット６０と、を備えている。ホルダー２０は、正面側から背面の略半分まで開口している。
第１駆動ユニット４０は、球状歯車３０に噛み合う第１鞍状歯車４４と、この第１鞍状歯車４４を歯車回転させると共に第１軸（以下、Ｘ軸という）まわりに回転駆動させる第１駆動機構４１と、を備えている。
第１駆動機構４１は、第１本体フレーム４１ａと、Ｘ軸まわりの回転駆動を行うための軸回転用モータ４２と、この軸回転用モータ４２に設けられた第１軸駆動歯車（不図示）と、この第１軸駆動歯車に噛み合い第１鞍状歯車４４を軸回転させる第１軸従動歯車４２ｂと、歯車回転させるための歯車回転用モータ４３と、この歯車回転用モータ４３に設けられた第１ウォーム駆動歯車（不図示）と、この第１ウォーム駆動歯車に噛み合い差動機構５０を回転させる第１ウォーム従動歯車４３ｂと、第１鞍状歯車４４と軸回転用モータ４２及び歯車回転用モータ４３との間に設けられた差動機構５０と、を備えている。
第２駆動ユニット６０は、球状歯車３０に噛み合う第２鞍状歯車６４と、この第２鞍状歯車６４を歯車回転させる共に第２軸（以下、Ｙ軸という）まわりに回転駆動させる第２駆動機構６１と、を備えている。
第２駆動機構６１は、第２本体フレーム６１ａと、Ｙ軸まわりに回転駆動を行うための軸回転用モータ６２と、この軸回転用モータ６２に設けられた第２軸駆動歯車６２ａと、この第２軸駆動歯車６２ａに噛み合い第２鞍状歯車６４を軸回転させる第２軸従動歯車６２ｂと、歯車回転用モータ６３と、この歯車回転用モータ６３に設けられた第２ウォーム駆動歯車６３ａと、この第２駆動歯車ウォーム６３ａに噛み合い差動機構７０を回転させる第２ウォーム従動歯車６３ｂと、第２鞍状歯車６４と軸回転用モータ６２及び歯車回転用モータ６３との間に設けられた差動機構７０と、を備えている。
第１駆動機構４１の軸回転用モータ４２の回転軸及び歯車回転用モータ４３の回転軸は、Ｘ軸と直交方向に配置されている。第２駆動機構６１の軸回転用モータ６２の回転軸及び歯車回転用モータ６３の回転軸は、Ｙ軸と直交方向に配置されている。
第１駆動機構４１の軸回転用モータ４２の回転軸及び歯車回転用モータ４３の配置方向をＸ軸方向に対して直交方向とし、第２駆動機構６１の軸回転用モータ６２の回転軸及び歯車回転用モータ６３の配置方向をＹ軸方向に対して直交方向としたので、装置の外方への出っ張りを小さくし、関節装置１０全体を小型化することができる。また、鞍状歯車４４、６４は、平歯車の一種であり、中心を通るピッチ円上では平歯車と同様の歯形に形成されており、詳細形状の説明は省略する。
なお、本実施例では、関節装置１０として説明したが、用途は関節に限定されるものではなく、球状歯車３０、第１鞍状歯車４４及び第２鞍状歯車６４を含む歯車セットを関節以外の用途に使用してよい。また、本実施例では、第１軸をＸ軸とし、第２軸を前記Ｘ軸と直交するＹ軸としたが、これに限定されず、第１軸と第２軸は、なす角度が４５度、６０度、１８０度等、直交しない角度の軸としてもよく、ＸＹ平面上に配置しなくてもよい。
次に第２駆動ユニット６０及び差動機構７０について説明する。なお、第１駆動ユニット４０及び差動機構５０は、第２駆動ユニット６０及び差動機構７０の基本構成と同じであるので説明を省略する。
図３、図４に示すように、第２駆動ユニット６０は、第２鞍状歯車６４と、第２駆動機構６１と、を備えている。第２駆動機構６１は、第２本体フレーム６１ａと、軸回転用モータ６２と、第２軸駆動歯車６２ａと、第２軸従動歯車６２ｂと、歯車回転用モータ６３と、第２ウォーム駆動歯車６３ａと、第２ウォーム従動歯車６３ｂと、差動機構７０と、を備えている。
差動機構７０は、第２本体フレーム６１ａに回転可能に設けられた回転フレーム７１と、円筒状に形成されて回転フレーム７１の外周を覆い且つ回転フレーム７１の同軸上（軸ｒ上）に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯８１が形成された内ウォームギア８０と、回転フレーム７１にこの回転フレーム７１の軸ｒに対してねじれの位置で直交するｅ軸（回転フレーム７１の軸直交方向）に回転可能に設けられ内ウォームギア８０に噛み合うウォームホイール９０と、を備えている。
この構成により、回転フレーム７１及び内ウォームギア８０の２つの回転入力に対して、ウォームホイール９０が回転フレーム７１と同軸ｒのロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転出力を行う。
内ウォームギア８０は、第２ウォーム従動歯車６３ｂと一体に回転するように設けられた回転部材８２を備え、この回転部材８２に内ウォームギア８０の基端部分が設けられている。回転部材８２の中央部分に貫通孔８３が形成されており、この貫通孔８３に回転フレーム７１が回転可能に挿通されている。
回転フレーム７１は、第２軸従動歯車６２ｂと一体に回転するように設けられている。回転フレーム７１は、回転部材８２の貫通孔８３及び第２ウォーム従動歯車６３ｂに回転可能に挿通される挿通部７２と、この挿通部７２に連続して内ウォームギア８０の内側に対向する中間部７３と、この中間部７３に設けられウォームホイール９０のホイール軸９１を支持するウォーム軸支持部７４（図９（ａ）参照）と、を備えている。さらに回転フレーム７１は、中間部７３に連続して内ウォームギア８０の前方に突出する突出部７５と、この突出部７５に設けられ第２鞍状歯車６４の回転軸６５を支持する回転軸支持部７６と、を備えている。
次にウォームホイール９０について説明する。なお、図５（Ａ）はウォームホイール９０の斜視図、図５（Ｂ）はウォームホイール９０の正面図、図６（Ａ）は図５（Ｂ）の６Ａ－６Ａ線断面図、図６（Ｂ）は図５（Ｂ）の６Ｂ－６Ｂ線断面図、図６（Ｃ）は図５（Ｂ）の６Ｃ－６Ｃ線断面図、図６（Ｄ）はウォームホイール９０の要部断面図である。
図５（Ａ）～図６（Ｄ）に示すように、ウォームホイール９０は、その歯９２の歯面９３が球面状のクラウニング歯面を有した平歯車である。ウォームホイール９０の断面形状は平歯車の断面形状と一致している。これにより、ウォームホイール９０は、その次の伝達先にある平歯車と噛み合うことができる。
なお、実施例では、ウォームホイール９０は、その歯９２の歯面９３が球面状のクラウニング歯面を有した平歯車としたが、これに限定されず、ウォームギアの進み角に一致したねじれ角を有するはすば歯車としてもよい。これにより、ウォームホイール９０は、その次の伝達先にある、はすば歯車と噛み合うことができる。
ここで、一般的な入力軸と出力軸が直交する差動機構では、入力軸及び出力軸のそれぞれに傘歯車が使用されているところ、傘歯車は平歯車と噛み合うことができない。このため、出力軸に設けられた傘歯車から次の平歯車へ伝えるためには、同じ出力軸に別途、平歯車を追加しなければならない。しかも、別途追加する平歯車は入力軸と衝突しないように配置する必要があり、傘歯車を使用した差動機構では大型になる。
この点、本発明のウォームホイール９０は、平歯車、又は、はすば歯車に直接噛み合えるため、差動機構７０は内ウォームギア８０とウォームホイール９０との１対の歯車ペアのみで構成することができ、差動機構７０全体として小型化することができる。さらに、ウォームホイール９０から、次の伝達要素に直接噛み合わせることができる。
また、ウォームホイール９０は、ホイール軸９１（図４参照）に回転可能に支持される環状部９４と、この環状部９４の外周に放射状に設けられた８個の歯９２と、を備えている。
なお、実施例では、ウォームホイール９０の歯９２の歯面９３は球面状のクラウニング歯面としたが、これに限定されず、歯面９３は円筒状の円筒歯面としてもよい。また、実施例では、ウォームホイール９０の歯数を８個としたが、これに限定されず、６個、７個、９個、１０個などでもよく、内ウォームギア８０の直径と条数に応じて適宜変更してよい。これにより、減速比やバックドライバビリティの発現を任意に設計することができる。
また、一般的に傘歯車が使用される差動機構では、その配置と減速比の間に強い制約がある。すなわち、ある減速比を得ようとすると、必然的に歯車と軸の配置が決定される。この点、本発明では、内ウォームギア８０の条数を変えたり、ウォームホイール９０の歯数を変えたりしても、内ウォームギア８０の内側にウォームホイール９０が入りさえすれば、配置の制約がないので、配置の自由性が高く、しかも減速比を幅広く決定できる。
次に内ウォームギア８０について説明する。なお、図７（Ａ）は内ウォームギア８０の基端側からの斜視図、図７（Ｂ）は内ウォームギア８０の先端側からの斜視図、図７（Ｃ）は内ウォームギア８０の正面図、図７（Ｄ）は基端側からの部分断面図、図７（Ｅ）は内ウォームギア８０の側面図、図８（Ａ）は図７（Ｅ）の８Ａ－８Ａ線断面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の８Ｂ－８Ｂ線断面図、図８（Ｃ）は図７（Ｄ）の８Ｃ－８Ｃ線断面図、図８（Ｄ）は図７（Ｄ）の８Ｄ－８Ｄ線断面図である。
内ウォームギア８０は、円筒状を呈し、この円筒状の内側にｒ軸（図４参照）に沿ってらせん状に歯８１が形成されている。内ウォームギア８０の内径は、回転フレーム７１（図４参照）の中間部７３の外径よりも大きい。内ウォームギア８０は、条数が２である。なお、実施例では、内ウォームギア８０の条数を２としたが、これに限定されず、条数を１や３以上としてもよく、条数を変更してもよい。
内ウォームギア８０の条数を１にするなど、進み角を小さくすることで、一般的なウォームギア同様に、セルフロックができる。内ウォームギア８０の条数を２以上とすることで、内ウォームギア８０の大きさを抑えつつ進み角を大きくすることができる。このように、内ウォームギア８０の条数に範囲を持たせることで、条数と内ウォームギア８０の直径に応じてバックドライバビリティの発現を任意に設計することができる。
また、内ウォームギア８０は、回転部材８２（図４参照）に固定するための固定溝８４が形成されている。例えば、内ウォームギア８０の外周側から板状のナットを固定溝８４に入れて、回転部材８２側から締結部材で締結することで、回転部材８２に内ウォームギア８０が固定される。なお、固定方向はこれに限定されない。
次にウォームホイール９０の歯９２のクラウニング量について説明する。なお、図９（Ａ）は、内ウォームギア８０とウォームホイール９０の噛み合い部分の断面図であり、図９（Ｂ）は図８（Ｄ）の部分拡大図であり、図９（Ｃ）はウォームホイール９０のピッチ円上の歯９２の断面図である。
図６（Ｄ）、図９（Ａ）～図９（Ｃ）を参照する。例えば図９（Ａ）では、内ウォームギア８０と第２鞍状歯車６４とは噛み合っているが、この第２鞍状歯車６４を通常の平歯車に置き換えたときは、それと噛み合うためにウォームホイール９０の断面形状が平歯車の断面形状と一致することが１つの設計条件となる。
すると、図９（Ａ）のような断面における、歯９２の厚みが決定される。この場合、ウォームホイール９０の基準ピッチ円上の歯９２の厚み t [mm]は、
t = m *π / 2
と決定される。ここで、mは歯のモジュールである。これは一般的な歯車の式である。ただし、図９（Ａ）の断面図の位置は正確ではなく、説明上、理解するためのものである。本来は円筒状の内ウォームギア８０のピッチ円筒面で断面をとるものとする。さらに、歯の厚み t は、図６（Ｄ）の基準ピッチ円上における長さとなる。
次に、内ウォームギア８０の歯８１の進み角つるまき線の傾き角度α[deg]を求める。この角度は歯の条数 n 、歯８１のモジュールm [mm]、内ウォームギア８０のピッチ円筒面の直径 d [mm]で決定される。m はウォームホイール９０と同一のものである。例えば、n=1の場合、内ウォームギア８０が一周したときの、ウォームホイール９０の円周方向の移動量b[mm]は１ピッチ移動する。すなわち、次のようになる。
b = π* m
もしn=2であれば２ピッチ、n=3であれば３ピッチ移動するので、一周したときの移動量は、次のようになる。
b = π* m * n
すると、ピッチ円筒面上のウォーム歯８１の歯すじの傾き角（進み角）αは次式として得られる。
α = arctan( b / (π* d) ) = arctan(π* m * n / (π* d) ) = arctan( m * n / d )
これは、一周するときの横方向のスライド移動量π* d [mm]と、縦方向の送り量b [mm]によって形成される三角形の角度を意味する。
次に、幾何学的に設計パラメータを算出する。決定したいパラメータは、歯幅w [mm]、クラウニング半径 r [mm]、及び内ウォームギア８０の谷の幅 s [mm]である。
クラウニングの目的は、内ウォーム歯面とのなめらかな接触であり、図９（Ｃ）の接点Pは、歯幅w のいずれかの場所に有るべきである。つまり、次の関係になる。
h < w/2
ここで、設計上限を求めるとすると、
h = w / 2
となる。するとクラウニング量r との関係は、
h = r sin(α) = w / 2
従って、
r = w / ( 2 * sin(α) )
ただし、r の最小値はt の半分であるので、次の条件を満たすものとする。
r >= t / 2
もしr = t/2 であるならば、このウォームホイール９０の歯は円錐となる。t が固定のため、内ウォームギア８０の歯溝の幅を調整する必要がある。つまり、本来は、図９（Ｂ）の内ウォームギア８０の断面形状は、通常のラックギヤとは異なり、マイナスに転位された歯形状を持つべきであることを意味する。
理論上の歯の溝の幅 u [mm]は、
u = π* m / 2
となり、ピッチ幅の半分を意味する。通常の歯車の場合、s = u が理論値となる。一方、本発明の内ウォームギア８０の歯の溝の幅s [mm]は、これまでの幾何学的な検討にもとづいて、
s = 2 r － ( 2 r － t ) cos(α)
となる。例えば、α=0、つまり進み角度が存在しない内ラックギヤの回転体の場合、s = t = π* m / 2 となり、s = u が得られる（これは歯を送ることができないことを意味する）。
一方、通常の平歯車とラックギヤの距離を離すと、相対的にラックの歯溝の幅を広げたことと等価になる。従って、本発明の内ウォームギア８０とウォームホイール９０の場合も同様に距離を離すことで、わざわざ s に基づいた特殊な内ウォーム歯面を削らなくとも、噛み合いを可能にすることができる。このときの広げるべき幅 e [mm]は、
e = s － u
で得られ、片側の歯面のみを考えれば、e / 2 の歯溝の拡張が必要となる。
ラックギアの歯の角度、歯圧角は20°であるので、内ウォームギア８０とウォームホイール９０との距離の増分 y [mm]は、以下のように表現される。
y = ( e / 2 ) / tan( 20°)
まとめると次のようになる。
設定値は、モジュールm、条数n、内ウォームギアピッチ円筒内径 d、歯幅 wである。
歯の厚みt [mm] t = m *π / 2
傾き角α[rad] α = arctan( m * n / d )
クラウニング量r [mm] r < w / ( 2 * sin(α) )
ウォームギア歯溝幅 s[mm] s = 2 r － ( 2 r － t ) cos(α)
軸間距離の増分 y[mm] y = ( e / 2 ) / tan( 20°)
ただし、内ウォームギアの歯先内径da = d － 2 * m、内ウォームホイールのピッチ円直径 Dp = z * mは、Dp < da である。
次に別態様に係る差動機構７０を備えた駆動ユニット６０について説明する。なお、図３、図４と基本構成は同じであるので同様の部品については符号を振って説明を省略する。
図１０（Ａ）に示すように、別態様に係る差動機構７０は、軸回転用モータ６２は回転フレーム（内軸）７１と直結している。歯車回転用モータ６３は内ウォームギア８０を駆動する。回転フレーム（内軸）７１と内ウォームギア８０はどちらも軸ｒまわりに回転する。内ウォームギア８０は円筒状の内側に歯８１が刻まれた形状をしており、内側に配置されたウォームホイール９０と噛み合う。ウォームホイール９０と平歯車６６は回転フレーム（内軸）７１の回転軸ｒまわりにベアリングを介して設置されている。ウォームホイール９０は、内ウォームギア８０から平歯車６６へ動力を伝達することができる。
図１０（Ｂ）に示すように、更なる別態様に係る差動機構７０は、図１０（Ａ）に示した差動機構７０を、さらに小型化した構成例である。この構成では、ウォームホイール９０の回転軸と、内ウォームギア８０の回転軸をほぼ一致させることができる。
次に実施例に係る差動機構７０の作用と比較例に係る差動機構１００の作用について説明する。
図１１（Ａ）は実施例の差動機構７０を含んだ関節装置１０の作用図であり、関節装置１０は、ホルダー２０と一体になった部分に固定された軸回転用モータ６２と、この軸回転用モータ６２に回転可能に設けられた回転フレーム７１と、この回転フレーム７１に回転可能に設けられた第２鞍状歯車６４及びこの第２鞍状歯車６４と噛み合うウォームホイール９０と、ホルダー２０に固定された歯車回転用モータ６３と、この歯車回転用モータ６３に第２ウォーム駆動歯車６３ａを介して回転可能に設けられ内側にウォームホイール９０と噛み合うようにウォーム溝が切られた円筒状の内ウォームギア８０と、ホルダー２０に回転可能に支持され第２鞍状歯車６４に噛み合う球状歯車３０と、を備えている。
差動機構７０は、鞍状歯車６４によって球状歯車３０を歯車回転、軸回転又は停止させ、軸回転用モータ６２によって、回転フレーム７１、ウォームホイール９０、第２鞍状歯車６４及び球状歯車３０を一体的に矢印（１）のように軸回転させ、歯車回転用モータ６３によって、第２ウォーム駆動歯車６３ａを介して内ウォームギア８０を矢印（２）のように回転させつつ、ウォームホイール９０、第１鞍状歯車６４及び球状歯車３０を一般的な平歯車列のように歯車回転させる。
図１１（Ｂ）は実施例の差動機構７０の作用図であり、入力要素としての円筒状の内ウォームギア８０の内部に、出力要素としてのウォームホイール９０を配置できる。すなわち、この一対の歯車のペアのみで、入力要素と出力要素が双方ともＡ軸に近いという、機械設計上素直な機構要素の配置を可能とした。これは、小型化と高精度化を実現する。
図１１（Ｃ）は比較例の差動機構１００の作用図であり、比較例の差動機構１００では、傘歯車１０２では伝達先の要素（平歯車１０３）と噛み合うことができないため、傘歯車１０１から平歯車１０３へ動力を伝えるための平歯車１０４が余分に必要となる。
この点、実施例の差動機構７０では、ウォームホイール９０が平歯車として振る舞うことができるため、伝達先の平歯車６６と噛み合うための余分な平歯車１０４が不要となる。従って、最小構成の部品点数で構成することができ、低コスト化が可能となる。さらに、高い減速比を設計できるほか、一般のウォームギアの特徴である、動力の一方通行性（セルフロック）も設計できる。
次に、以上に述べた差動機構７０の作用、効果について説明する。
本発明の実施例の構成において、差動機構７０は、円筒状に形成されて回転フレーム７１の外周を覆い且つ回転フレーム７１の同軸上に回転可能に設けられ円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギア８０と、回転フレーム７１にこの回転フレーム７１の軸直交方向に回転可能に設けられ内ウォームギア８０に噛み合うウォームホイール９０と、を備えている。内ウォームギア８０は円筒状部分の内側にらせん状の歯８１が形成され、内ウォームギア８０の内側にウォームホイール９０が配置されているので、差動機構７０を小型化することができる。
さらに、実施例の内ウォームギア８０では外形を形成する円筒状部分の内側に直接らせん状に歯８１を形成するため、その内方にはウォームホイール９０のみの配置で済むので、先行技術文献１に比較しても差動機構７０を小型化することができる。
さらに、本発明では、内ウォームギア９０の外形を形成する円筒状部分の内側に直接らせん状に歯８１を形成するので、伝達要素（部品点数）を少なくして差動誤差を減少させることができる。このように、本発明では、小型で差動誤差を減少させることができる２自由度の差動機構７０を提供することができる。
さらに、ウォームホイール９０のピニオン（歯）９２の歯面９３が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面であるので、ピッチ円上においてウォームホイール９０の軸に対して傾斜する内ウォームギア８０の歯面に滑らかに噛み合うことでき、且つ、伝達先の歯車の歯面にも滑らかに噛み合うことができる。このため、従来の伝達要素と設計上の親和性が高く、またバックドライバビリティを発現させることもできる。
さらに、ウォームホイール９０は、はすば歯車であり、歯筋がねじれているので、ピッチ円上においてウォームホイール９０の軸に対して傾斜する内ウォームギア８０の歯筋に一致して円滑に噛み合う。この場合、伝達先の歯車もはすば歯車とすることで、ウォームホイール９０は伝達先の歯車とも円滑に噛み合うことができる。このため、従来の伝達要素と設計上の親和性が高く、またバックドライバビリティを発現させることもできる。
さらに、回転フレーム７１は、ウォームホイール９０の回転軸ｅの位置を調整するウォームホイール位置調整機構（不図示）を備えている。この調整機構は、回転フレーム７１の軸ｒに対して径方向および軸方向に微動にスライドできるよう、長穴やスライダ構造が設けられている。このため、ウォームホイール位置調整機構によってウォームホイール９０の回転軸ｅの位置が調整されるので、内ウォームギア８０との間、および鞍状歯車６４との間のバックラッシの調整を容易に行うことができる。なお、上記ウォームホイール位置調整機構の構成は一例であり、これに限定されず、回転フレーム７１の軸ｒに対して径方向および軸方向に微動にスライドできれば、他の構成であっても差し支えない。
さらに、回転フレーム７１の外形の寸法は、回転フレーム７１の軸方向視で、内ウォームギア８０の内径（歯先円直径）よりも小さい。このため、回転フレーム７１の軸方向視での、差動機構７０の最大寸法が、内ウォームギア８０の外径となるので、全体として小型化を図ることができる。
尚、本発明は、実施例の図に示した歯車の歯数に限定されない。また、実施例では、ウォームホイール９０の伝達先を、鞍状歯車６４としたが、これに限定されず、ウォームホイール９０の伝達先を、一般的な平歯車、はすば歯車などにしてもよく、動力が伝達できれば歯車の種類は問わない。
即ち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。
本発明は、産業用の汎用ロボットの差動機構に好適である。
４１ａ、６１ａ…本体フレーム、４４、６４…鞍状歯車、５０、７０…差動機構、６６…平歯車（はすば歯車）、７１…回転フレーム、８０…内ウォームギア、８１…内ウォームギアの歯、９０…ウォームホイール９０（はすば歯車）、９２…ウォームホイールの歯、９３…歯面（クラウニング歯面）。

Claims (6)

  1. 本体フレームに回転可能に設けられた回転フレームと、円筒状に形成されて前記回転フレームの外周を覆い且つ前記回転フレームの同軸上に回転可能に設けられ前記円筒状の内側にらせん状に歯が形成された内ウォームギアと、前記回転フレームにこの回転フレームの軸直交方向に回転可能に設けられ前記内ウォームギアに噛み合うウォームホイールと、を備え、
    前記回転フレーム及び前記内ウォームギアの２つの回転入力に対して、前記ウォームホイールが前記回転フレームと同軸のロール軸回転及びピッチ軸回転の２つの回転出力を行うことを特徴とする差動機構。
  2. 請求項１記載の差動機構であって、
    前記ウォームホイールは、その歯面が、円筒歯面、または球面状のクラウニング歯面を有した平歯車であることを特徴とする差動機構。
  3. 請求項１記載の差動機構であって、
    前記ウォームホイールは、はすば歯車であることを特徴とする差動機構。
  4. 請求項１～３のいずれか１項記載の差動機構であって、
    前記回転フレームは、前記ウォームホイールの位置を調整するウォームホイール位置調整機構を備えていることを特徴とする差動機構。
  5. 請求項１～４のいずれか１項記載の差動機構であって、
    前記内ウォームギアは、条数が１又は２以上であることを特徴とする差動機構。
  6. 請求項１～５のいずれか１項記載の差動機構であって、
    前記回転フレームの外形の寸法は、前記回転フレームの軸方向視で、前記内ウォームギアの内径よりも小さいことを特徴とする差動機構。

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