JP7470477B2 - 遊星歯車段を有する遊星歯車装置、該装置を有する位置センサシステム、および該装置のバックラッシ低減方法 - Google Patents

Description

本発明は、遊星歯車装置に関し、より詳細には、歯車装置のバックラッシの低減に関する。

バックラッシは、継ぎ目なく、かみ合わない部品間に存在する隙間または空間である。歯車装置の例においては、バックラッシは、歯車の歯と歯の間に生じ得る。これは、１つの歯車の回転と、その１つの歯車が他の歯車の回転を開始させる時との間に遅延を生じさせる影響を有し得る。位置の精度に関わるシステムにおいて、バックラッシは、不正確な位置測定値につながる場合があり、これにより、機器の不正確な動作を引き起こし得る。

遊星歯車段は、典型的に、入力トルクを受ける太陽歯車と、太陽歯車と互いにかみ合い、太陽歯車の周りを回転し、太陽歯車からトルクを受ける２つ以上の遊星歯車と、キャリアとを含む。キャリアは、一般に、太陽歯車の周りを遊星歯車が一緒に回転する時、遊星歯車を支持することと、回転運動から受け取ったトルクを出力シャフトに伝えることという２つの機能を有する。遊星歯車は、キャリア内で遊星歯車の軸を中心に自由に回転するが、太陽歯車を中心とした遊星歯車の軸の円運動によって、キャリアの回転運動を駆動する。典型的に、遊星歯車は、さらに、リングギヤ内にかみ合わされ、リングギヤ内に含まれる。リングギヤは、固定されてもよく、または、回転できてもよい。

多段の遊星歯車箱が、通常、回転入力から回転位置トランスデューサへの高比率の減速を提供するように用いられる。このような位置検出システムにおいて、歯車箱内のバックラッシは、典型的に、センサの位置精度を規定する。多段の遊星歯車箱において、センサ精度の制限におけるバックラッシの寄与（ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）は、歯車箱の出力に最も近い段で、最も高い。例えば、４段の歯車箱では、センサ精度の調節において、段ごとのバックラッシの寄与は、４段目と比較して寄与をパーセンテージで表すと、典型的に、０．５％、５％、２２％、及び、１００％である。よって、４段目だけ、バックラッシを取り除くことができたとしても、位置センサ精度へのバックラッシの全体の影響は大幅に低減できる。

第１の態様から見ると、本発明は、遊星歯車段を有する遊星歯車装置を提供する。遊星歯車段は、太陽歯車と、複数の遊星歯車軸を含むキャリアと、遊星歯車軸の１つにそれぞれ配置された複数の遊星歯車と、リングギヤと、出力シャフトとを含み、出力シャフトは、キャリアと出力シャフトとの間にある付勢機構を介してキャリアに接続され、付勢機構は、キャリアと出力シャフトが互いに離れる方に付勢するように構成される。

既存の遊星歯車段は、かさばる、重い、または、複雑なバックラッシ低減方法を有する場合があり、これは、設置エンベロープの制約を満たすのが困難になり得る。

第１の態様の歯車装置は、キャリアと出力シャフトが互いに離れるように付勢することによって、遊星歯車段のバックラッシを低減する。これは、太陽歯車の中心を通り、遊星歯車の中心を２等分する軸に垂直な面に、主成分または全体を有する力を用いて、行われてよい。複数の遊星歯車があってよく、少なくとも２つの遊星歯車は、太陽歯車をはさんで反対側に、キャリアに作用する付勢機構の近くに配置されてよい。付勢機構は、付勢機構の力が、各遊星歯車とリングギヤとの係合、及び、各遊星歯車と太陽歯車との係合によって作用されるように、キャリアを付勢する。言い換えると、キャリアは、出力シャフトに対して予荷重をかけており、付勢機構からの力によって、キャリアと出力シャフトは均衡する。

これが適用できる最も簡単な装置は、２つの遊星歯車が太陽歯車をはさんで反対側に配置された遊星歯車段である。本発明を適用し得る２つのみの遊星歯車を有する遊星歯車段があってよい。回転入力が太陽歯車から与えられると、太陽歯車は、どちらの遊星歯車が入力の方向に直接に作用しても、時計回りまたは反時計回りに回転させるように作用する。これは、次に、キャリアを回転させ、キャリアが付勢機構を介して出力シャフトに作用することによって、出力シャフトを回転させる。反対方向の回転入力は、入力の第１の方向に直接に作用しなかった他の遊星歯車を回転させるように作用し、それによって、キャリアと出力シャフトとは、反対方向に回転する。いずれの場合でも、２つの遊星歯車を有する遊星歯車段の本例においては、１つの遊星歯車のみが、任意の所与の方向に直接に駆動され、反対側の遊星歯車は、歯のバックラッシによって、効率的に自由に回転する。

本発明の長所は、遊星歯車段のバックラッシを、付勢機構を用いて取り除いて、回転センサ内への典型的な４段の遊星減速歯車箱の全体のバックラッシを約８０％低減することである。

第１の態様の付勢機構は、圧縮ばね、板ばね、弾性材料、または、任意の他の適切な付勢手段を含んでよい。

第１の態様のキャリアは、略半円形であってよく、ここで、キャリアは、半円形の頂点の近くに位置する２つの遊星歯車軸を有し、半円形の主な曲線は、リングギヤの曲線に追従する。キャリアは、遊星歯車を支持する１つの部材を含んでよい、または、キャリアは、遊星歯車がキャリア部材間に配置されるように、２つの部材を含んでよい。複数のキャリア部材を有する構成は遊星歯車の安定性を増し、太陽歯車からの入力に応答して、遊星歯車の歯にわたってより均等に荷重を分散させるという長所を有し得る。キャリアが遊星歯車軸を完全に収容できるように、半円形の直線の部分には膨らみがあってよく、複数のキャリア部材を有するキャリアの場合には、太陽歯車が、キャリア部材の孔を経てキャリアを通って延びるのを可能にする。出力シャフトは、キャリアの半円形によって占有されていないリングギヤの空間内にあるように、キャリアに隣接して、リングギヤを通って延びる形状であってよい。出力シャフトは、また、半円形、三日月形、または、キャリアの形状を補完する任意の他の形状を有してよい。圧縮ばねは、キャリアの半円形の頂点の近くに配置されて、キャリアを出力シャフトに接続してよい。

第１の態様の遊星歯車装置は、位置センサシステムで使用されてよい。このようなシステムにおいては、センサの精度を保証するために、バックラッシを最小限にする必要がある。位置センサシステムは、回転の有効範囲に制限のあるトランスデューサを利用してよい。すなわち、位置センサシステムは、特定の角度範囲内で動作する回転トランスデューサを有してよく、このような角度範囲は、３６０°未満の範囲である。このようなシステムにおいては、出力シャフトの回転が、トランスデューサを回転させる。トランスデューサは、遊星歯車装置の出力シャフト内に取り付け、接続、または、一体化されてよい。限定的な角度範囲を有する位置センサシステムにおいては、入力と出力の間で高比率の減速を提供するために多段歯車箱が必要となり得る。これは、任意の数の歯車段を用いて達成されてよい。このようなシステムの例は、補助翼を動作させ、３００回転の回転変位を有するモータを備える航空機に存在する、モータは、位置検出システムに接続される。トランスデューサが動作し得る限定的な範囲のために、高比率または高変位の減速歯車段が、モータと位置検出トランスデューサとの間に備えられる必要がある。そうすると、当業者は、センサが動作するシステム全体に適切なトランスデューサを選択できよう。

位置センサシステムに本発明を使用する長所は、センサシステムのバックラッシの低減または除去である、これは、トランスデューサを含むまたはトランスデューサに接続された出力シャフトが、特に、回転の方向が変わる場合、回転入力をより正確に伝達することができることを意味する。

また、本発明の遊星歯車装置は、３Ｄ印刷機等にある、低電力用途のための歯車箱内で使用されてもよい。本発明のばねは、ばねが高負荷の下でもキャリアと出力シャフトが互いに離れるように付勢する機能を発揮することができるか否かを判断するために、典型的に、ばねに加えられる力の量と、ばね定数とによって限定される。高電力用途では、このばねにかかる荷重が、遊星歯車段のバックラッシを低減できない場合がある。

低電力装置の歯車箱で本発明を使用する長所は、駆動システムの精度が向上することである。３Ｄプリンタの例においては、歯車箱のバックラッシが低減されることによって、回転方向の変化をより高い精度で検出し得る出力を可能にし、これは、３Ｄプリンタがより高い精度で印刷できることを意味する。

遊星歯車装置は、単純な遊星歯車または複合遊星歯車を使用してよい。複合歯車構造は、かみ合った遊星構造、段のある遊星構造、多段構造等の構造を含んでよい。

本発明の遊星歯車装置で使用されるいずれの歯車の歯の角度も、太陽歯車の中心を通る軸と平行であってよい、または、この軸と角度をなしてよい。

第２の態様から見ると、発明は、遊星歯車段を有する遊星歯車装置のバックラッシを低減する方法を提供し、遊星歯車段は、太陽歯車と、複数の遊星歯車軸を含むキャリアと、遊星歯車軸の１つにそれぞれ配置された複数の遊星歯車と、リングギヤと、出力シャフトとを含み、方法は、キャリアと出力シャフトが互いに離れる方に付勢することを含む。

第２の態様の遊星歯車装置は、本発明の第１の態様の特徴のいずれかを含んでよい。

歯車段に直交する方向から見た本発明の実施形態を示す図。 歯車段の正面から見た本発明の実施形態を示す図。 本発明の実施形態に作用する力成分を示す図。 実施形態の太陽歯車を反時計回り方向に回転させる効果を示す図。 実施形態の太陽歯車を時計回り方向に回転させる効果を示す図。 本発明の別の実施形態を三次元ビューで示す図。

図１は、遊星歯車段１００を含む例示の遊星歯車装置１の一部を示す。図２は、図１の正面から遊星歯車段１００を見た概略図である。

遊星歯車段１００は、太陽歯車１１０、キャリア１２０、２つの遊星歯車１３０、リングギヤ１４０、及び、出力シャフト１５０を含む。キャリア１２０は、２つの遊星歯車軸１２２を有し、２つの遊星歯車軸１２２は、キャリア１２０内に延びて、各遊星歯車軸１２２に１つの遊星歯車１３０が取り付けられている。遊星歯車１３０は、太陽歯車１１０及びリングギヤ１４０の対応する歯と係合する歯（図示せず）を有する。各歯車の歯の製造方法と機械加工の公差のため、係合している歯車の歯は、完全にはかみ合わず、係合した歯車の歯（図示せず）間に間隙が形成され、遊星歯車段１００にバックラッシを作り出す。

遊星歯車軸１２２は、太陽歯車１１０をはさんで互いに軸方向に反対になるように、キャリア１２０に配置される。

出力シャフト１５０とキャリアとは、付勢機構１６０を介して互いに相互作用する。本実施形態においては、付勢機構１６０は、板ばねである。板ばね１６０は、出力シャフト１５０とキャリア１２０の間の２つの位置で、板ばね１６０のそれぞれの端部に配置されたばね要素１６２を有する。ばね要素１６２は、遊星歯車段１００とほぼ同じ面で、互いに離れる方向にキャリア１２０と出力シャフト１５０を付勢する。この力は、図２の各ばね要素の近くの矢印によって示される。板ばね１６０の付勢によって、キャリアを遊星歯車段１００の一方の側に、出力シャフト１５０から離れる方向に付勢し、これは、次に、遊星歯車軸１２２、従って、遊星歯車１３０をキャリア１２０と同じ方向に移動させる。これは、係合した歯車の歯と歯の間に間隙またはバックラッシ無しに、遊星歯車１３０の歯を太陽歯車１１０及びリングギヤ１４０と完全に係合させる効果を有する。当業者は、板ばね１６０によって達成される同じ技術的効果が他の手段によっても達成できることを理解されよう。

キャリア１２０は、略半円形である。２つの遊星歯車軸１２２は、半円形の頂点１２４の近くに位置し、半円形の主な曲線１２６は、リングギヤ１４０の曲線に追従する。キャリアの頂点１２４の近くには、リップ１２９もある。リップ１２９は、板ばね１６０のばね要素１６２がキャリア１２０に接触する表面を形成する。半円形の直線の部分には膨らみ１２８があり、膨らみ１２８は、板ばね１６０のばね要素１６２がリップ１２９によって完全に収容されるように、キャリア１２０の頂点１２４及びリップ１２９の径方向内側の箇所から、出力シャフト１５０に向かって径方向外側に突き出ている。膨らみ１２８は、キャリア１２０が、キャリアの範囲内に遊星歯車軸１２２を完全に収容するのを可能にする。膨らみは、太陽歯車１１０に接続された中心シャフト１１２の周りにも延びてよい。

出力シャフト１５０は、該出力シャフト１５０がキャリア１２０によって占有されていないリングギヤ１４０の空間内にあるように、リングギヤ１４０内に延びるとともにキャリア１２０に隣接するようにして形状づけられている。出力シャフト１５０も半円形を有するが、出力シャフト１５０の形状は、リングギヤ１４０の動作に干渉すること無く、リングギヤ１４０内に収まり、キャリアの形状を補完する任意の形状であってよいことを当業者は理解されよう。このような形状は、三日月形または適切な任意の他の形状を含んでよい。出力シャフト１５０は、中心シャフト１１２をはさんでほぼ反対側に位置する２つの端部１５２を有する。端部１５２は、板ばね１６０のばね要素１６２に接触し、従って、出力シャフト１５０は、ばね要素１６２を介してキャリア１２０に接続される。

キャリア１２０に作用する板ばね１６０の付勢力Ｆの方向を図３に示す。キャリア１２０は、出力シャフト１５０から離れる方向に板ばね１６０の付勢力Ｆを受ける。遊星歯車１３０は、遊星歯車軸１２２に接続され、次に遊星歯車軸１２２は、キャリア１２０に接続されるので、遊星歯車１３０も出力シャフト１５０から離れる方向に付勢される。遊星歯車１３０は、リングギヤ１４０及び太陽歯車１１０と係合する歯（図示せず）を有する。付勢力Ｆは、太陽歯車１１０の中心を通り、遊星歯車１３０の中心を２等分する軸に垂直な面に、少なくとも主成分を有する。

典型的には、不完全な機械加工方法が原因で、係合する歯車の歯が、完全にかみ合わない。代わりに、典型的に、間隙が係合する歯車の歯の間に存在する。１つの歯車が、回転するように駆動されると、駆動された歯車の回転開始と、駆動された歯車の歯が第２の係合された歯車を回転させる時との間に、この間隙が原因で遅延が起こり得る。

付勢力Ｆによって、遊星歯車１３０の歯を歯の一方の側で、リングギヤ１４０及び太陽歯車１１０の歯と係合させる。言い換えると、遊星歯車１３０及びリングギヤ１４０の歯が係合する箇所で、遊星歯車１３０の歯が、リングギヤ１４０及び太陽歯車１１０の歯に押し付けられる。これらの箇所のそれぞれで、付勢力Ｆの４分の１が、遊星歯車１３０に対して作用し、これによって、遊星歯車１３０は、回転せず、歯車段１００は静止する。

図４は、太陽歯車１１０を反時計回り方向に回転させる効果を示す。「時計回り」及び「反時計回り」という語は、中心シャフト１１２を中心とした図で見たときの歯車段１００に関して規定される。太陽歯車１１０をこの方向に回転させると、遊星歯車１３０が、時計回り方向に回転し、これにより、キャリア１２０と出力シャフト１５０とを反時計回り方向に回転させる。図４に示す歯車段１００においては、遊星歯車１３０は、参照が容易なように、上部遊星歯車１３０ａ及び下部遊星歯車１３０ｂとして表示されてよい。

太陽歯車１１０が、反時計回りに回転し始めるとき、太陽歯車１１０の歯は、反時計回り方向で、上部遊星歯車１３０ａの歯と完全に係合している。よって、太陽歯車１１０の回転開始と、上部遊星歯車１３０ａの回転開始との間に遅延は無い。付勢力Ｆによって、上部遊星歯車１３０ａの歯も、時計回り方向で、リングギヤ１４０の歯と完全に係合している。太陽歯車１１０が反時計回り方向に回転するのに応答して、上部遊星歯車１３０ａが時計回り方向に回転し始めると、時計回り方向で、上部遊星歯車１３０ａとリングギヤ１４０の歯の間に間隙が無いので、上部遊星歯車１３０ａは、回転とリングギヤ１４０との係合の間で遅延を受けない。従って、上部遊星歯車１３０ａが反時計回りに移動することによって、太陽歯車の回転開始と、キャリア１２０が回転させられるときとの間に、遅延は無い。そうすると、太陽歯車１１０の回転開始と、出力シャフト１５０が回転させられるときとの間に遅延は無く、よって、反時計回り方向において、バックラッシが歯車段から除去されている。

太陽歯車１１０が反時計回りに回転し始めるとき、太陽歯車１１０の歯は、反時計回り方向で、下部遊星歯車１３０ｂの歯とは完全には係合していない。しかしながら、板ばね１６０の付勢力Ｆによって、太陽歯車１１０の歯は、下部遊星歯車１３０ｂの歯と、時計回り方向で係合したままである。また、付勢力Ｆによって、下部遊星歯車１３０ｂの歯は、反時計回り方向において、リングギヤ１４０の歯と係合している。

図５は、太陽歯車１１０を時計回り方向に回転させる効果を示す。太陽歯車１１０をこの方向に回転させると、遊星歯車１３０は、反時計回り方向に回転し、これにより、次に、キャリア１２０と出力シャフト１５０とを時計回り方向に回転させる。

太陽歯車１１０が時計回りに回転し始めるとき、太陽歯車１１０の歯は、下部遊星歯車１３０ｂの歯と、時計回り方向で完全に係合している。よって、太陽歯車１１０の回転開始と、下部遊星歯車１３０ｂの回転開始との間に遅延は無い。付勢力Ｆによって、下部遊星歯車１３０ｂの歯も、反時計回り方向で、リングギヤ１４０の歯と完全に係合している。太陽歯車１１０が時計回り方向に回転するのに応答して、下部遊星歯車１３０ｂが反時計回り方向に回転し始めるとき、反時計回り方向において、下部遊星歯車１３０ｂとリングギヤ１４０の歯の間に間隙が無く、下部遊星歯車１３０ｂは、回転とリングギヤ１４０との係合の間で遅延を受けない。よって、時計回りに移動する下部遊星歯車１３０ｂによって、太陽歯車の回転開始と、キャリア１２０が回転を開始させられるときとの間に遅延が無い。そうすると、太陽歯車１１０の回転開始と、出力シャフト１５０が回転させられるときとの間に遅延が無く、時計回り方向において、歯車段からバックラッシが除去されている。

太陽歯車１１０が時計回りに回転し始めるとき、太陽歯車１１０の歯は、時計回り方向で、上部遊星歯車１３０ａの歯と完全には係合していない。しかしながら、板ばね１６０の付勢力Ｆによって、太陽歯車１１０の歯は、反時計回り方向で、上部遊星歯車１３０ａの歯と係合したままである。また、付勢力Ｆによって、上部遊星歯車１３０ａの歯は、時計回り方向で、リングギヤ１４０の歯と係合している。

図６は、本発明の歯車段２００の別の実施形態の一部を三次元の視点で示す。この実施形態は、付勢力Ｆが圧縮コイルばねの組２６０によって提供されるという点で、前述の実施形態とは異なる。これらのコイルばね２６０は、前述の実施形態の板ばね１６０の代わりである。コイルばね２６０によって達成された効果は、板ばね１６０の効果と同じである。すなわち、キャリア１２０は、出力シャフト１５０から離れる方向に、コイルばね２６０から付勢力Ｆを受ける。遊星歯車１３０が、遊星歯車軸１２２に接続され、次に遊星歯車軸１２２は、キャリア１２０に接続されるので、遊星歯車１３０も、出力シャフト１５０から離れる方向に付勢される。遊星歯車１３０の付勢によって、遊星歯車１３０の歯は、太陽歯車１１０（図６には示さず）及びリングギヤ１５０（図６には示さず）の歯に対して物理的に付勢される。よって、太陽歯車１１０を回転させる効果は、板ばね１６０を用いる歯車段に関して、図４及び図５に関連して記載した効果と同じである。

Claims (13)

1. 遊星歯車段を有する遊星歯車装置であって、
   前記遊星歯車段が、
   太陽歯車と、
   複数の遊星歯車軸を含むキャリアと、
   前記遊星歯車軸の１つにそれぞれ配置された複数の遊星歯車と、
   リングギヤと、
   出力シャフトと、を含み、
   前記出力シャフトは、前記キャリアと前記出力シャフトとの間にある付勢機構を介して前記キャリアに接続され、前記付勢機構は、前記キャリアと前記出力シャフトが互いに離れる方に付勢するように構成され、
   前記キャリアは、半円形であり、前記半円形の主な曲線は、リングギヤの曲線に追従し、
   前記出力シャフトは、前記出力シャフトが前記キャリアに占有されていない前記リングギヤの空間内にあるように、前記リングギヤを通して延びるとともに前記キャリアに隣接するようにして形状づけられる、遊星歯車段を有する遊星歯車装置。
2. 前記キャリアは、２つの遊星歯車軸を含み、前記遊星歯車段は、２つの遊星歯車を含む、請求項１に記載の遊星歯車段を有する遊星歯車装置。
3. 前記付勢機構は、複数のばねを含む、請求項１または２に記載の遊星歯車段を有する遊星歯車装置。
4. 前記複数のばねは、複数の圧縮ばね、または、複数の板ばねを含む、請求項３に記載の遊星歯車段を有する遊星歯車装置。
5. 前記キャリアは、前記遊星歯車を支持する１つの部材を含む、請求項１～４のいずれかに記載の遊星歯車段を有する遊星歯車装置。
6. 前記キャリアは、２つの部材を含み、前記遊星歯車が前記キャリア部材の間に配置される、請求項１～４のいずれかに記載の遊星歯車段を有する遊星歯車装置。
7. 前記キャリアは、２つの遊星歯車軸を有する、請求項１～６のいずれかに記載の遊星歯車段を有する遊星歯車装置。
8. 前記２つの遊星歯車軸は、前記半円形の頂点の近くに位置する、請求項７に記載の遊星歯車段を有する遊星歯車装置。
9. 前記付勢機構は、前記キャリアを前記出力シャフトに接続するように、前記キャリアの前記半円形の頂点の近くに配置される、請求項１～８のいずれかに記載の遊星歯車段を有する遊星歯車装置。
10. 前記付勢機構は、前記太陽歯車の中心を通る軸に垂直な面に成分を有する力を加えることによって、前記キャリアと前記出力シャフトが互いに離れる方に付勢する、請求項１～９のいずれかに記載の遊星歯車段を有する遊星歯車装置。
11. 請求項１～１０のいずれかに記載の前記遊星歯車装置を有する位置センサシステム。
12. 前記出力シャフトは、トランスデューサに接続される、または、トランスデューサを含む、請求項１１に記載の位置センサシステム。
13. 遊星歯車段を有する遊星歯車装置のバックラッシ低減方法であって、
    前記遊星歯車段は、
    太陽歯車と、
    複数の遊星歯車軸を含むキャリアと、
    前記遊星歯車軸の１つにそれぞれ配置された複数の遊星歯車と、
    リングギヤと、
    出力シャフトと、
    を含み、
    前記キャリアは、半円形であり、前記半円形の主な曲線は、リングギヤの曲線に追従し、
    前記出力シャフトは、前記出力シャフトが前記キャリアに占有されていない前記リングギヤの空間内にあるように、前記リングギヤを通して延びるとともに前記キャリアに隣接するようにして形状づけられ、
    前記キャリアと前記出力シャフトの間にある付勢機構を用いて、前記キャリアと前記出力シャフトが互いに離れる方に付勢することを含む、遊星歯車段を有する遊星歯車装置のバックラッシ低減方法。

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