JPH08145126A

JPH08145126A - ギヤユニット

Info

Publication number: JPH08145126A
Application number: JP6283204A
Authority: JP
Inventors: Masaru Hachisuga; 勝蜂須賀
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-11-17
Filing date: 1994-11-17
Publication date: 1996-06-04

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、機械装置の構成要素として用いら
れるギヤユニットにおいて、接点の摩擦に起因する、発
熱、摩耗、振動の発生を大幅に軽減する事を目的とす
る。【構成】駆動ギヤ、従動ギヤ、前記駆動ギヤ及び前記
従動ギヤの少なくとも一方を超音波振動させるための超
音波振動発生手段からなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、機械装置の構成要素と
して使用されるギヤユニットに関する。

【０００２】

【従来技術】歯車は、駆動力伝達手段として、また駆動
速度変換手段として、広く機械装置の構成要素として使
用される。例えば、回転軸の回転速度を減速あるいは増
速するために、平歯車を用いた増減速ユニット（図７）
が一般に使用される。平歯車は、歯すじが回転軸に平行
な直線となる円筒歯車で、製作が容易なため、動力伝達
用に最も多く使われている歯車である。

【０００３】回転力を直角方向に伝達するためには、ウ
ォームホイールギヤ（図８）が使用される。ウォームを
１回転させると、それに連動してホイールが１歯分回転
する（１条の場合）ため、１段で比較的大きな減速比が
得易い。また平歯車を用いたギヤユニットと比較して静
かな動作が可能である。回転運動を直線運動に、あるい
は直線運動を回転運動に変換する方法としてラックとピ
ニオンを用いることがある（図６）。これは先に示した
平歯車を用いたギヤユニットの片方の平歯車の半径を無
限大にしたものと考えられる。従って、半径無限大の歯
車（ラック）は、それに噛み合ったピニオンを回転駆動
することにより直線運動をすることになる。この逆の動
作も可能である。ラックとピニオンを用いたギヤユニッ
トは、工作機械の主軸の出し入れ動作を行なう機構など
に使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】平歯車がかみ合って回
転力を伝達する場合に、１つの歯に注目すると、歯と歯
の接触点は、インボリュ−ト形状の歯の表面を移動する
ことになる。そのため歯と歯が接触し始め、やがて離れ
る距離である、噛み合いの長さの間、接触点に摩擦が発
生する。この歯と歯の接触点の摩擦により、発熱する、
摩耗が発生しやすい、潤滑剤による潤滑が不可欠である
といった問題点があった。

【０００５】さらに、歯車が噛み合って回転力を伝達す
る場合には、噛み合いは順次行なわれるが、歯の数は有
限であるため間欠な噛み合いとならざるを得ないため、
高速回転で用いるときには、振動が発生しやすいといっ
た問題点もあった。上記のことは、ラックとピニオンに
より構成されるギヤユニットについても同様に言える。

【０００６】また、ウォームホイールギヤにおいては、
ウォームとホイール間に発生する摩擦力のため、平歯車
を用いたギヤユニットと比較すると、伝動効率が極めて
低いという特徴があった。一般のウォームホイールギヤ
の伝動効率は４０％から５０％程度である。そのため、
ウォームホイールギヤを用いる際には、発熱が大きくな
る、摩耗が発生しやすい、潤滑油による潤滑が不可欠で
あるといった問題点があった。

【０００７】本発明の目的はこれらの問題点の解決にあ
る。

【０００８】

【問題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、鋭意研究した結果、「駆動ギヤ、従動ギヤ、前記駆
動ギヤ及び従動ギヤの少なくとも一方を超音波振動させ
るための超音波振動発生手段からなる超音波振動ギヤユ
ニット」あるいは「前記駆動ギヤがウォームギヤであ
り、前記従動ギヤがホイールギヤであることを特徴とす
る請求項１記載のギヤユニット」あるいは「前記駆動ギ
ヤ、及び従動ギヤの一方がラックで他方がピニオンギヤ
であることを特徴とする請求項１記載のギヤユニット」
あるいは「前記駆動ギヤ、及び前記従動ギヤが共に平歯
車あることを特徴とする請求項１記載のギヤユニット」
あるいは「前記駆動ギヤ、及び前記従動ギヤが共にはす
ば歯車であることを特徴とする請求項１記載のギヤユニ
ット」を用いることにより上記問題点を解決できること
を見い出し、本発明を成すに至った。

【０００９】

【作用】滑り面に超音波振動を付与することにより、相
接する固体間の摩擦力が減少することが知られている。
すなわち、ギヤユニットに用いられている歯車に超音波
振動を付与することにより、歯と歯の接触点の摩擦係数
が減少する。平歯車の回転時の歯のかみ合っている状態
は図５の様になる。この図より明らかな様に、歯と歯の
接触点は、インボリュ−ト形状の歯の表面を移動する。
すなわちこの部分で転がり摩擦が発生する。そこで、少
なくともどちらか一方の平歯車に超音波振動を付与する
ことにより、なめらかな動作が得られる。そのため、歯
の噛み合いが始まる接触開始時の衝撃がやわらぎ、動作
時の振動が減る。

【００１０】このことは、ラックとピニオンにより構成
されるギヤユニットについても同様に言える。また、
ウォームホイールギヤにおいては、ウォームあるいはホ
イールに超音波振動を付与することにより、伝動効率が
向上する。ウォームから駆動される場合のウォームホイ
ールギヤの伝動効率は（１）式のように計算される。

【００１１】

【数１】

【００１２】先に示したように、滑り面に超音波振動を
付与することにより摩擦力が減少する。このため、本発
明のようにウォームあるいはホイールに超音波振動を付
与することにより、ウォームとホイールの接触点の摩擦
係数が減少する。その結果、（１）式から分かるよう
に、伝動効率が向上する。以下、図面を引用して、本発
明を、より具体的に説明するが、本発明は、これに限ら
れるものでない。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明に係る第１実施例のウォーム
ホイールを用いたギヤユニットおいて、ホイール１２に
超音波振動を付与した場合の概要図である。発振機１０
で発生した高周波電気信号は、スリプリング９を介して
超音波振動子１に伝達される。該超音波振動子１により
印加された電気信号は、超音波域の機械的な振動に変換
される。該超音波振動子１で発生した振動は、振幅拡大
用ホーン２によってその振幅が拡大され、該振幅拡大用
ホーン２先端に取り付けたホイールに伝達される。該振
幅拡大用ホーン２は、振動の節（ノード点）に設けられ
たフランジ６部分で、軸受８に保持されたスリーブ７に
固定されている。

【００１４】回転軸１４に取り付けたウォーム１３を回
転駆動させることにより、該ウォーム１３と噛み合った
ホイール１２は回転動作をする。ここで、（１）式を用
いて通常のウォームホイールギヤと、超音波を付与し摩
擦係数が減少したときのウォームホイールギヤの伝動効
率を計算し、比較する。例えば、超音波を加えることに
より摩擦係数μが０．０９から０．０３（１／３）に減
少したとすると、その時の伝動効率は４７％から７３％
に大幅に向上することになる（α；２０°、γ；５°と
して計算）。

【００１５】本実施例において、超音波振動子１へ発振
器１０より付与した電気信号の振動周波数は２０．２ｋ
Ｈｚ、供給電力は約３０Ｗである。ホイールの歯数は３
０枚、モジュール１．５、圧力角２０度である。ウォー
ムは条数１、歯幅は３０ミリ、ピッチ円直径は２５ミリ
である。また、ホイールに付与した超音波振動は、振動
系の中心軸に対して回転方向に振動するねじり振動を用
いた。ウォームホイールギヤの大きな欠点の一つは、伝
動効率が低いということであるが、本実施例の超音波振
動を付与したウォームホイールギヤは、従来のウォーム
ホイールギヤの伝動効率を大幅に向上させる効果があっ
た。また、潤滑剤やグリースを用いなくてもかなり高い
伝動効率が得られ、潤滑剤を用いることができない用途
には効果が期待できる。

【００１６】図２は、本発明の第２実施例に係る平歯車
を用いたギヤユニットおいて、片方の平歯車に超音波振
動を付与した場合を示す図である。超音波振動系の構成
は、図１に示したウォームホイールを用いた場合と同じ
である。振幅拡大用ホーン２の先端にホイールのかわり
に、平歯車３を取り付け、共振形状とし超音波振動させ
る。回転軸５に取り付けた平歯車４を回転駆動させるこ
とにより、該平歯車４と噛み合った平歯車５は回転動作
をする。

【００１７】本実施例のギヤユニットは、噛み合ってい
る歯車の摩擦が減るため、極めて効率の高い回転運動の
伝達が可能になると共にに、ギヤユニットの欠点の一つ
であった振動の発生を抑える効果もあった。図３は、本
発明の第３実施例に係るラックとピニオンを用いたギヤ
ユニットにおいて、ピニオン１５に超音波振動を付与し
た場合を示す図である。

【００１８】超音波振動系の構成は、図１に示したウォ
ームホイールを用いた場合と同じである。該ピニオン１
５を回転駆動することにより、それに噛み合ったラック
１６は直線運動をする。または、該ラック１６を直線駆
動することによりそれに噛み合ったピニオン１５は回転
運動をする。本実施例の、超音波振動を付与したラック
とピニオンを用いたギヤユニットでは、従来のラックピ
ニオンの伝動効率を大幅に向上させる効果があった。ま
た、潤滑剤やグリースを用いなくてもかなり高い伝動効
率が得られ、潤滑剤を用いることができない用途には効
果が期待できる。

【００１９】図４は、本発明の第４実施例に係るラック
とピニオンを用いたギヤユニットにおいて、ラック１６
に超音波振動を付与した場合を示す図である。超音波振
動系の構成は図２に示した平歯車を用いた場合とほぼ同
じである。振幅拡大用ホーン２の先端に平歯車のかわり
に、ラック１６を取り付け、共振形状とし超音波振動さ
せる。該ラック１６を直線方向に駆動することによりそ
れに噛み合ったピニオン１５は回転運動をする。また
は、該ピニオン１５を回転駆動することによりそれに噛
み合った該ラック１６は直線運動をする。ラックとピニ
オンを用いたギヤユニットにおいても、摩擦力の減少効
果により、前記ギヤユニットと同様の効果が得られた。

【００２０】本発明は、上記のギヤユニットへの応用に
限らず、内歯車、はすば歯車、傘歯車、ねじ歯車、ハイ
ポイドギヤ等への適用も可能である。また、付与する超
音波振動には、たわみ振動、縦振動、ねじり振動等が用
いられる。

【００２１】

【発明の効果】平歯車を用いたギヤユニットにおいて
は、回転時に噛み合っている歯と歯の接触点の摩擦係数
が減少することにより、発熱が減少し、歯面の摩耗が減
少する。また潤滑油を供給することなく、摩擦力を減じ
ることができるため、潤滑油を用いることができない用
途に対しても効果が期待できる。

【００２２】さらに、歯車特有の振動、騒音の発生を抑
制する効果も期待できる。ラックとピニオンを用いたギ
ヤユニットについても同様なことが言える。ウォームと
ホイールを用いたギヤユニットにおいては、ウォームと
ホイールの摩擦係数が減少し、伝動効率が向上するた
め、発熱が減少し、摩耗量が減少する。また潤滑剤を供
給することができない用途に対しても効果が期待でき
る。

【００２３】本発明では、ウォームホイールギヤ等、歯
面に滑り摩擦が発生する機構を持つユニットにおいてそ
の効果が著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の第１実施例にかかるウォームに超
音波振動を付与したウォームホイールギヤの概要図であ
る。

【図２】は、本発明の第２実施例にかかる平歯車に超音
波振動を付与した減速機の概要図である。

【図３】は、本発明の第３実施例にかかるピニオンに超
音波振動を付与したラックピニオンギヤの概要図であ
る。

【図４】は、本発明の第４実施例にかかるラックに超音
波振動を付与したラックピニオンギヤの概要図である。

【図５】は、平歯車の噛み合いの様子を示した断面図で
ある。

【図６】は、ラックとピニオンの噛み合いの様子を示し
た断面図である。

【図７】は、従来技術に係る平歯車を用いた減速機の概
要図である。

【図８】は、従来技術に係るウォームホイールギヤを用
いた減速機の概要図である。

【符号の説明】

１・・・・超音波振動子２・・・・振幅拡大用ホーン３，４・・・・平歯車５，１４・・・・回転軸６・・・・フランジ７・・・・スリーブ８・・・・軸受９・・・・スリップリング１０・・・・発振器１１・・・・振動姿態１２・・・・ホイール１３・・・・ウォーム１５・・・・ピニオン１６・・・・ラック以上

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動ギヤ、従動ギヤ、前記駆動ギヤ及び
従動ギヤの少なくとも一方を超音波振動させるための超
音波振動発生手段からなることを特徴とするギヤユニッ
ト。
【請求項２】前記駆動ギヤがウオームギヤであり、前
記従動ギヤがホイールギヤであることを特徴とする請求
項１記載のギヤユニット。
【請求項３】前記駆動ギヤ、及び従動ギヤの一方がラ
ックで他方がピニオンギヤであることを特徴とする請求
項１記載のギヤユニット。
【請求項４】前記駆動ギヤ、及び前記従動ギヤが共に
平歯車であることを特徴とする請求項１記載のギヤユニ
ット。
【請求項５】前記駆動ギヤ、及び前記従動ギヤが共に
はすば歯車であることを特徴とする請求項１記載のギヤ
ユニット。