JP7047301B2 - 変速機 - Google Patents

Description

本発明は、変速機に関する。

特開２０１４－１６０１９号公報には、偏心揺動減速機構が記載されている。当該公報の減速機構は、四輪駆動車において、電動モータのモータ回転力を、一対の後輪に伝達するモータ回転力伝達装置に備えられている。減速機構は、内歯歯車と、内歯歯車の内側に配置された外歯歯車とを有する。外歯歯車は、内歯歯車と噛み合いながら、内歯歯車の内面に沿って揺動する。このような偏心揺動型の減速機構は、小型で高い減速比を得ることができる。
特開２０１４－１６０１９号公報

ところで、近年、人と協調して作業を行う小型ロボットの需要が高まっている。そして、上述した偏心揺動型の減速機とモータとを組み合わせたアクチュエータを、小型ロボットの関節に用いることが提案されている。ただし、この種の小型ロボットには、滑らかな動作が求められる。また、この種の小型ロボットには、出力側に外力が加えられた場合に、入力側に伝わり易くする性能（バックドライバビリティ）がある。バックドライバビリティが向上することにより、出力側に衝撃が加わった場合に、アクチュエータまたは当該アクチュエータが搭載されたアプリケーションの破損を抑制しやすい。そのため、バックドライバビリティ性能の向上が求められる。

そこで、変速機において、複数の外歯歯車を用いて、バックドライバビリティを向上させることができる構成を、本発明者は見出した。

上記課題を解決するため、本願の発明は、偏心揺動型の変速機であって、中心軸を中心として回転する第１回転部と、前記第１回転部とともに回転し、前記中心軸から外周面までの距離が周方向の位置によって異なり、軸方向においてそれぞれが異なる位置に配置された複数の偏心体と、前記複数の偏心体それぞれの外周面に設けられた複数の軸受と、前記複数の軸受それぞれの外周面に設けられた複数の外歯歯車と、前記中心軸を周方向に囲む円筒状であって、前記複数の外歯歯車の径方向外側に配置された内歯歯車と、前記複数の外歯歯車それぞれの軸方向に重なる位置に設けられた貫通孔に挿入された、軸方向に延びる複数のキャリアピンと、前記キャリアピンが固定され、前記中心軸を中心として回転する第２回転部と、を備え、前記複数の外歯歯車の歯数と、前記内歯歯車の歯数とは相違し、前記内歯歯車には、前記複数の外歯歯車の歯数それぞれの、前記中心軸からの距離が最も遠い外歯が、噛み合い、前記内歯歯車と前記複数の外歯歯車それぞれとの噛み合い位置は、周方向において、不均等であり、前記複数の外歯歯車それぞれには、周方向に沿って前記貫通孔が複数設けられ、複数の前記キャリアピンはそれぞれ、複数の前記貫通孔それぞれに挿入される、複数の前記キャリアピンは、中心軸を中心として、周方向に沿って等角度間隔に配置され、前記内歯歯車と前記複数の外歯歯車それぞれとの噛み合い位置の、前記中心軸を中心とする角度差は、前記等角度の倍数である。

本願によれば、変速機のバックドライブトルクのピークを下げることができる。

図１は、実施形態の変速機の縦断面図である。 図２は、変速機の分解斜視図である。 図３は、図１中のIII－III線の横断面図である。 図４は、第１偏心体の中心軸と、第２偏心体の中心軸との位置関係を説明するための図である。 図５は、バックドライブトルクを計測したシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、変速機の中心軸と平行な方向を「軸方向」、中心軸に直交する方向を「径方向」、中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。また、本願では、軸方向を上下方向とし、第１回転部に対して第２回転部の第１キャリア部材側を上として、各部の形状および位置関係を説明する。ただし、この上下方向の定義により、本願に係る変速機の使用時の向きを限定する意図はない。また、上記の「平行な方向」は、略平行な方向も含む。また、上記の「直交する方向」は、略直交する方向も含む。

＜１．変速機の全体構成＞
図１は、本実施形態の変速機の縦断面図である。図２は、変速機１の分解斜視図である。図３は、図１中のIII－III線の横断面図である。なお、図３においては、図の煩雑化を避けるため、ハッチングは省略する。

変速機１は、第１回転数（入力回転数）の回転運動を、第１回転数よりも低い第２回転数（出力回転数）の回転運動に変換する、歯車減速機である。変速機１は、例えば、人と協調して作業を行うサービスロボット等の小型ロボットの関節に使用される。ただし、同等の構造を有する変速機を、大型の産業用ロボット、工作機、Ｘ－Ｙテーブル、材料の切断装置、コンベアライン、ターンテーブル、圧延ローラ等の他の用途に用いてもよい。

変速機１は、第１回転部１０と、第１偏心体２１および第２偏心体２２と、第１外歯歯車３１および第２外歯歯車３２と、フレーム４０と、複数のキャリアピン５０と、第２回転部６０と、を備える。

第１回転部１０は、中心軸９に沿って上下に延びる円柱状の部材である。図１中に概念的に示したように、第１回転部１０は、直接または他の動力伝達機構を介して、駆動源であるモータに接続される。モータを駆動させると、モータから供給される動力によって、第１回転部１０は、中心軸９を中心として、第１回転数で回転する。すなわち、本実施形態では、第１回転部１０は入力部である。

第１偏心体２１は、第１回転部１０の外周面に固定され、第１回転部１０とともに回転する部材である。第１回転部１０と第１偏心体２１とは、単一の部材でもよいし、別の部材でもよい。第１偏心体２１は、図３に示すように、軸方向から視て真円形の外周面を有する。第１偏心体２１の中心軸９１は、中心軸９から外れて位置する。したがって、中心軸９から第１偏心体２１の外周面までの距離は、周方向の位置によって異なる。

第２偏心体２２は、第１回転部１０の外周面に固定される。第２偏心体２２は、第１偏心体２１と軸方向に異なる位置に固定される。そして、第２偏心体２２は、第１回転部１０とともに回転する部材である。第１回転部１０と第２偏心体２２とは、単一の部材でもよいし、異なる別部材でもよい。第２偏心体２２は、第１偏心体２１と同様に、軸方向から視て真円形の外周面を有する。第２偏心体２２の中心軸９２は、中心軸９から外れて位置する。したがって、中心軸９から第２偏心体２２の外周面までの距離は、周方向の位置によって異なる。

図４は、第１偏心体２１の中心軸９１と、第２偏心体２２の中心軸９２との位置関係を説明するための図である。中心軸９１と、中心軸９２とは、中心軸９を中心とする同一円上であって、軸方向からみて異なる位置に位置する。つまり、中心軸９と中心軸９１との距離と、中心軸９と中心軸９２との距離とは、同じである。また、中心軸９１と中心軸９２とは、周方向に不均等に位置する。ここで、「不均等」とは、中心軸９を中心とする角度間隔が一定でないことを意味する。本実施形態のように、偏心体の数が２つの場合には、時計回りにおいて、中心軸９を中心とする中心軸９１から中心軸９２までの角度Ｒ１と、中心軸９２から中心軸９１までの角度Ｒ２とが、異なることを意味する。本実施形態では、中心軸９を中心として、中心軸９２は、中心軸９１から、時計回りに１４４°離れて位置する。つまり、図４の角度Ｒ１は、１４４°である。

第１回転部１０が中心軸９を中心として回転すると、第１偏心体２１および第２偏心体２２は、中心軸９を中心として回転する。このとき、第１偏心体２１の中心軸９１、および第２偏心体２２の中心軸９２も、中心軸９を中心として回転する。

第１外歯歯車３１は、第１偏心体２１の径方向外側に配置される。第１偏心体２１と第１外歯歯車３１との間には、第１軸受７１が介在する。第１軸受７１には、例えば、ボールベアリングが用いられる。第１外歯歯車３１は、第１軸受７１によって、中心軸９１を中心として回転可能に支持される。図３に示すように、第１外歯歯車３１の外周部には、複数の外歯３１１が設けられる。各外歯３１１は、径方向外側へ向けて突出する。第１外歯歯車３１は、複数（図３の例では１０個）の貫通孔３１２を有する。各貫通孔３１２は、第１外歯歯車３１を軸方向に貫通する。複数の貫通孔３１２は、中心軸９１を中心として、周方向に沿って等角度間隔に配置される。

第２外歯歯車３２は、第２偏心体２２の径方向外側に配置される。第２偏心体２２と第２外歯歯車３２との間には、第２軸受７２が介在する。第２外歯歯車３２は、第２軸受７２によって、中心軸９２を中心として回転可能に支持される。第２軸受７２には、例えば、ボールベアリングが用いられる。第２外歯歯車３２は、第１外歯歯車３１と同様に、外周部に複数の外歯３２１が設けられる。また、第２外歯歯車３２には、軸方向に貫通した複数の貫通孔３２２が設けられる。複数の貫通孔３２２は、中心軸９２を中心として、周方向に沿って等角度間隔に配置される。貫通孔３２２は、貫通孔３１２と同じ径を有する。また、各貫通孔３２２の一部は、第１外歯歯車３１の各貫通孔３１２と、軸方向に重なる。

フレーム４０は、中心軸９を周方向に囲み、軸方向に延びる円筒状の部材である。フレーム４０は、第１外歯歯車３１および第２外歯歯車３２の径方向外側を取り囲んで配置される。図３に示すように、フレーム４０の内周面には、複数の内歯４１が設けられる。複数の内歯４１は、それぞれ、フレーム４０の内周面から径方向内側へ向けて突出する。本実施形態では、内歯４１を含む内歯歯車が、フレーム４０の一部となっている。ただし、内歯歯車は、フレーム４０と別部材としてもよい。本実施形態のように、内歯４１は、フレーム４０と同一部材とした場合、フレーム４０とは別に、内歯４１を有する内歯歯車を設ける必要がないため、変速機１の小型化が容易となる。

フレーム４０の複数の内歯４１の一部には、第１外歯歯車３１の複数の外歯３１１、および、第２外歯歯車３２の複数の外歯３２１それぞれの一部が噛み合う。具体的には、中心軸９からの距離が最も遠い位置にある、第１外歯歯車３１の外歯３１１と、内歯４１とが噛み合う。また、中心軸９からの距離が最も遠い位置にある、第２外歯歯車３２の外歯３２１と、内歯４１とが噛み合う。以下では、第１外歯歯車３１の外歯３１１と、内歯４１との噛み合い位置を、噛み合い位置Ａ１（図３参照）と称す。また、第２外歯歯車３２の外歯３２１と、内歯４１との噛み合い位置を、噛み合い位置Ａ２（図３参照）と称す。

噛み合い位置Ａ１と、噛み合い位置Ａ２との位置関係は、中心軸９１と、中心軸９２との位置関係と同様に、周方向に不均等である。前記のように、第２偏心体２２の中心軸９２は、中心軸９を中心に、第１偏心体２１の中心軸９１から時計周りに、１４４°離れて位置する。したがって、噛み合い位置Ａ１と、噛み合い位置Ａ２とは、中心軸９を中心に、周方向に１４４°離れて位置する。

なお、前記のとおり、第１外歯歯車３１と第２外歯歯車３２とは、内歯４１との噛み合い位置が異なるだけで、その構成は同じである。したがって、以下の説明では、第１外歯歯車３１についてのみ説明する。

第１回転部１０が中心軸９を中心として回転すると、第１外歯歯車３１は、中心軸９１とともに、中心軸９の周りを公転する。また、第１外歯歯車３１の外歯３１１と、フレーム４０の内歯４１とが噛み合うことによって、第１外歯歯車３１は自転する。ここで、フレーム４０が有する内歯４１の数は、第１外歯歯車３１が有する外歯３１１の数よりも多い。このため、第１外歯歯車３１の１公転ごとに、フレーム４０の同じ位置の内歯４１に噛み合う外歯３１１の位置がずれる。これにより、第１外歯歯車３１が、第１回転部１０の回転方向とは逆の方向へ、第１回転数よりも低い第２回転数で自転する。したがって、第１外歯歯車３１の貫通孔３１２の位置も、第２回転数で回転する。変速機１の動作時には、第１外歯歯車３１が、このような公転と自転とを組み合わせた回転運動を行う。

第１外歯歯車３１が有する外歯３１１の数をＮとし、フレーム４０が有する内歯４１の数をＭとすると、変速機１の減速比Ｐは、Ｐ＝（第１回転数）／（第２回転数）＝Ｎ／（Ｍ－Ｎ）となる。図３の例では、Ｎ＝２９，Ｍ＝３０なので、この例における減速比は、Ｐ＝２９である。すなわち、第２回転数は、第１回転数の１／２９の回転数となる。ただし、外歯３１１の数Ｎおよび内歯４１の数Ｍは、他の値であってもよい。

本実施形態では、複数の内歯４１が、単一の部材であるフレーム４０の一部として、設けられる。このため、フレーム４０とは別に、複数の内歯４１を有する内歯歯車を設ける必要がない。これにより、変速機１の小型化が容易となる。

複数のキャリアピン５０それぞれは、軸方向に延びる円柱状の部材である。複数のキャリアピン５０は、中心軸９を中心として、周方向に沿って等角度間隔に円環状に配置される。この例では、図３に示すように、変速機１は、１０個のキャリアピン５０を有する。したがって、複数のキャリアピン５０それぞれは、中心軸９を中心として、周方向に沿って３６°（３６０°／１０）の等角度間隔で配置される。前記した噛み合い位置Ａ１、Ａ２の角度１４４°は、複数のキャリアピン５０を配置した等角度３６°の倍数である。また、噛み合い位置Ａ１、Ａ２は、噛み合い位置Ａ１、Ａ２を周方向に均等とした状態から、等角度３６°ずれた位置にある。

複数のキャリアピン５０それぞれは、軸方向に重なった、第１外歯歯車３１の貫通孔３１２、および、第２外歯歯車３２の貫通孔３２２に挿入される。これにより、複数のキャリアピン５０は、第１外歯歯車３１および第２外歯歯車３２により押されて、第１外歯歯車３１および第２外歯歯車３２と同じ第２回転数で、中心軸９を中心として回転する。

第２回転部６０は、円環状の第１キャリア部材６１と、円環状の第２キャリア部材６２とを有している。第１キャリア部材６１は、第１外歯歯車３１よりも軸方向の上方側に配置されている。第１回転部１０と第１キャリア部材６１との間には、軸受７３が介在している。また、第１キャリア部材６１とフレーム４０との間には、軸受７４が介在している。

第２キャリア部材６２は、第２外歯歯車３２よりも軸方向の下方側に配置されている。第１回転部１０と第２キャリア部材６２との間には、軸受７５が介在している。また、第２キャリア部材６２とフレーム４０との間には、軸受７６が介在している。軸受７３および軸受７５には、例えば、ボールベアリングが用いられる。軸受７４および軸受７６には、例えば、ポリアセタール等の樹脂からなるすべり軸受が用いられる。

各キャリアピン５０の軸方向の上方端部は、第１キャリア部材６１に固定される。各キャリアピン５０の軸方向の下方端部は、第２キャリア部材６２に固定される。なお、第１キャリア部材６１および第２キャリア部材６２に対するキャリアピン５０の固定方法には、例えば、圧入が用いられる。このため、複数のキャリアピン５０が、中心軸９を中心として第２回転数で回転すると、第１キャリア部材６１および第２キャリア部材６２も、中心軸９を中心として第２回転数で回転する。

第２回転部６０は、直接または他の動力伝達機構を介して、駆動対象となる部材に接続される。すなわち、本実施形態では、第２回転部６０は出力部である。

＜２．シミュレーションの例＞

上記のように構成された変速機１において、噛み合い位置Ａ１と、噛み合い位置Ａ２とは、中心軸９を中心として、周方向に不均等に位置する。この構成とすることで、変速機１のバックドライバビリティは向上する。

以下に、シミュレーションソフトウェアにおいて、上記の変速機１と同等のモデルを作成して行った、バックドライブトルクを計測するシミュレーションの結果を示す。図５は、バックドライブトルクを計測したシミュレーション結果を示す図である。

バックドライブトルクは、出力部である第２回転部６０を外力で回転させたときの、抵抗の大きさである。バックドライブトルクが小さいと、第２回転部６０の回転抵抗が小さく、回転ロスが少なくなる。つまり、バックドライバビリティが向上する。

図５の波形（Ａ）は、噛み合い位置Ａ１と、噛み合い位置Ａ２とを、中心軸９を中心として、周方向に沿って１８０°の角度で等間隔に配置した場合のシミュレーション結果である。図５の波形（Ｂ）は、噛み合い位置Ａ１と、噛み合い位置Ａ２とを、周方向に不均等にした、上記構成の変速機１のシミュレーション結果である。波形（Ａ）と波形（Ｂ）とで、噛み合い位置Ａ１、Ａ２の位置関係以外の条件は同一である。

波形（Ａ）と、波形（Ｂ）との対比からわかるように、噛み合い位置Ａ１、Ａ２を、中心軸９を中心として、不均等にした方が、変速機１のバックドライブトルクのピークは、小さい。

なお、変速機１は、第１外歯歯車３１と、第２外歯歯車３２とを備えるが、３つ以上の外歯歯車を備える構成でもよい。図５の波形（Ｃ）は、外歯歯車を３つ設け、３つの外歯歯車と内歯との噛み合い位置それぞれを、中心軸９を中心として、周方向に不等配とした変速機１のシミュレーション結果である。波形（Ｂ）と、波形（Ｃ）との対比からわかるように、外歯歯車の数が３つとした方が、外歯歯車の数が２つの場合よりも、変速機１のバックドライブトルクのピークは、さらに小さい。

以上のように、複数の外歯歯車の外歯と内歯との噛み合い位置を、中心軸９を中心として、周方向に不均等に位置させることで、変速機１のバックドライバビリティを向上させることができる。

なお、変速機１は、上記した構成に限定されない。例えば、噛み合い位置Ａ１と、噛み合い位置Ａ２とは、中心軸９を中心として、１４４°離れて位置しているが、この角度に限定されない。また、外歯歯車の外歯の数、および、内歯歯車の内歯の数は、適宜変更可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述の実施形態および変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

本願は、変速機に利用できる。

１ ：変速機
９ ：中心軸
１０ ：第１回転部
２１ ：第１偏心体
２２ ：第２偏心体
３１ ：第１外歯歯車
３２ ：第２外歯歯車
４０ ：フレーム
４１ ：内歯
５０ ：キャリアピン
６０ ：第２回転部
６１ ：第１キャリア部材
６２ ：第２キャリア部材
７１ ：第１軸受
７２ ：第２軸受
７３ ：軸受
７４ ：軸受
７５ ：軸受
７６ ：軸受
９１ ：中心軸
９２ ：中心軸
３１１ ：外歯
３１２ ：貫通孔
３２１ ：外歯
３２２ ：貫通孔
Ａ１ ：噛み合い位置
Ａ２ ：噛み合い位置
Ｒ１ ：角度
Ｒ２ ：角度

Claims (5)

1. 偏心揺動型の変速機であって、
   中心軸を中心として回転する第１回転部と、
   前記第１回転部とともに回転し、前記中心軸から外周面までの距離が周方向の位置によって異なり、軸方向においてそれぞれが異なる位置に配置された複数の偏心体と、
   前記複数の偏心体それぞれの外周面に設けられた複数の軸受と、
   前記複数の軸受それぞれの外周面に設けられた複数の外歯歯車と、
   前記中心軸を周方向に囲む円筒状であって、前記複数の外歯歯車の径方向外側に配置された内歯歯車と、
   前記複数の外歯歯車それぞれの軸方向に重なる位置に設けられた貫通孔に挿入された、軸方向に延びる複数のキャリアピンと、
   前記キャリアピンが固定され、前記中心軸を中心として回転する第２回転部と、
   を備え、
   前記複数の外歯歯車の歯数と、前記内歯歯車の歯数とは相違し、
   前記内歯歯車には、前記複数の外歯歯車の歯数それぞれの、前記中心軸からの距離が最も遠い外歯が、噛み合い、
   前記内歯歯車と前記複数の外歯歯車それぞれとの噛み合い位置は、周方向において、不均等であり、
   前記複数の外歯歯車それぞれには、周方向に沿って前記貫通孔が複数設けられ、
   複数の前記キャリアピンはそれぞれ、複数の前記貫通孔それぞれに挿入される、
   複数の前記キャリアピンは、中心軸を中心として、周方向に沿って等角度間隔に配置され、
   前記内歯歯車と前記複数の外歯歯車それぞれとの噛み合い位置の、前記中心軸を中心とする角度差は、前記等角度の倍数である、
   変速機。
2. 請求項１に記載の変速機であって、
   前記複数の偏心体はそれぞれ、
   軸方向から視て真円形であり、前記真円の中心が、前記中心軸から外れて位置している、
3. 請求項１又は請求項２に記載の変速機であって、
   前記噛み合い位置は、
   前記内歯歯車と前記複数の外歯歯車それぞれとの噛み合い位置を、周方向に均等とした状態から、前記等角度ずれた位置である、
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の変速機であって、
   前記複数の外歯歯車は、第１外歯歯車と、第２外歯歯車と、を含み、
   前記内歯歯車と前記第１外歯歯車との噛み合い位置と、前記内歯歯車と前記第２外歯歯車との噛み合い位置とは、前記中心軸を中心に、周方向に１４４°離れて位置する、
   変速機。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の変速機であって、
   前記第１回転部は、モータから得られる動力により第１回転数で回転する入力部であり、
   前記第２回転部は、前記第１回転数よりも低い第２回転数で回転する出力部である、
   変速機。

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