WO2023084743A1

WO2023084743A1 - ピニオン付きモータ及びピニオン付きモータを備える歯車機構

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Publication number: WO2023084743A1
Application number: PCT/JP2021/041760
Authority: WO
Inventors: 拓也有谷
Original assignee: ファナック株式会社
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-05-19
Also published as: US20240291351A1; DE112021008132T5; JPWO2023084743A1; TW202324886A; CN118202173A

Abstract

歯車として機能する完全歯形部を有するピニオンが設けられたシャフトを有するピニオン付きモータであって、ピニオンの軸方向の長さを短くするために、ピニオンの完全歯形部をシャフトの基端側にオフセットすることができるピニオン付きモータを提供することができる。先端部にピニオンが設けられたシャフトを有するピニオン付きモータであって、ピニオンは、シャフトに装着される基部と、シャフトの外径以下の外径を有し、歯車として機能する完全歯形部と、基部と完全歯形部との間に設けられ、シャフトの軸方向における長さが完全歯形部の前記軸方向における長さ以下で、歯車として機能しない不完全歯形部と、を有する。

Description

ピニオン付きモータ及びピニオン付きモータを備える歯車機構

　本発明は、ピニオン付きモータ及びこれを備える歯車機構に関する。

　下記特許文献１には、モータとともに使用される減速装置が開示されている。この減速装置では、入力軸を介して、モータの動力が入力される。入力軸は、ピニオンと、モータ軸挿入穴を有するモータ側端部と、ピニオンとモータ側端部との間の部分（歯車として機能しない不完全歯形部）とを有する。

特開２０１５－１０２２２１号公報

　入力軸は、モータの動力を減速装置に入力するために、モータ軸に取り付けられる部材であるので、軸方向の長さをあまり長くすることができない。また、モータ軸の外径よりもピニオンの外径が小さい場合、完全歯形部とモータ側端部との間の段付き部とピニオンの切り上げ部分との間の長さが短いと、入力軸の強度が低下してしまう。従って、従来、歯車として機能しない不完全歯形部の軸方向の長さは、歯車として機能するピニオンの軸方向の長さよりも長くなる。

　この場合、入力軸のモータ軸からの突出長さが長くなるので、入力軸が取り付けられたモータの大型化を招く。これにより、モータと減速装置とからなる機構において、モータの配置スペースが大きくなり、機構全体が大型化してしまう。そこで、入力軸の軸方向長さを短くするために、入力軸のピニオンをモータ軸の基端側にオフセットすることが望まれている。

　本開示の一態様は、先端部にピニオンが設けられたシャフトを有するピニオン付きモータであって、前記ピニオンは、前記シャフトに装着される基部と、前記シャフトの外径以下の外径を有し、歯車として機能する完全歯形部と、前記基部と前記完全歯形部との間に設けられ、前記シャフトの軸方向における長さが前記完全歯形部の前記軸方向における長さ以下で、歯車として機能しない不完全歯形部と、を有する。

　一態様によれば、歯車として機能する完全歯形部を有するピニオンが設けられたシャフトを有するピニオン付きモータであって、ピニオンの軸方向の長さを短くするために、ピニオンの完全歯形部をシャフトの基端側にオフセットすることができるピニオン付きモータを提供することができる。

本発明のピニオン付きモータの第１実施形態を示す左側面図であり、一部を断面にして示している。本発明のピニオン付きモータの第２実施形態を示す左側面図であり、一部を断面にして示している。本発明のピニオン付きモータの第３実施形態を示す左側面図であり、一部を断面にして示している。本発明のピニオン付きモータの第４実施形態を示す左側面図であり、一部を断面にして示している。本発明のピニオン付きモータの第５実施形態を示す左側面図であり、一部を断面にして示している。本発明のピニオン付きモータの第６実施形態を示す正面図である。本発明のピニオン付きモータの第７実施形態を示す平面図である。本発明のピニオン付きモータを備える歯車機構の一実施形態を示す説明図であり、第１モータの取付部分を示している。図８Ａの実施形態の歯車機構を示す説明図であり、第２モータの取付部分を示している。本発明のピニオン付きモータの第１変形例を示す側面視縦断面図であり、一部を拡大して示している。本発明のピニオン付きモータの第２変形例を示す側面視縦断面図であり、一部を拡大して示している。

　以下、本開示の一態様に係るピニオン付きモータについて、図面を参照して説明する。図１に示すように、第１実施形態のピニオン付きモータ１は、モータ本体Ｍの先端側Ｊ１２にピニオン２が設けられたシャフト３を有する。ピニオン２は、シャフト３に装着される基部４と、歯車として機能する完全歯形部５と、歯車として機能しない不完全歯形部６とを有する。ピニオン２は、軸方向Ｊ１に沿って延びる棒状であり、先端側Ｊ１２が縮径されている。ピニオン２は、基部４からなる大径部と、不完全歯形部６及び完全歯形部５からなる小径部とを有する。

　基部４は、ピニオン２の基端側Ｊ１１に位置している。基部４は、シャフト３の基端側Ｊ１１である後方側に開口した円筒状である。すなわち、基部４は、後方側に開口した円形の内穴７を有している。この内穴７は、シャフト３の先端部が差し込まれる軸孔である。基部４の前壁には、基部４の内外を連通する円形の連通孔８が設けられている。

　完全歯形部５は、ピニオン２の先端側Ｊ１２に位置している。完全歯形部５は、前後方向（軸方向Ｊ１）に開口した円筒状である。すなわち、完全歯形部５は、前後方向に開口した内穴９を有している。完全歯形部５の外周部には、複数の歯１０が設けられている。このように、完全歯形部５は、歯車形状に形成されている。完全歯形部５の外径は、シャフト３の外径以下である。

　不完全歯形部６は、基部４と完全歯形部５との間に設けられている。不完全歯形部６は、前後方向（軸方向Ｊ１）に開口した円筒状である。すなわち、不完全歯形部６は、前後方向に開口した内穴１１を有している。シャフト３の軸方向Ｊ１に沿う不完全歯形部６の長さ（不完全歯形部６の軸方向長さ）ａは、完全歯形部５のシャフト３の軸方向Ｊ１における長さ（完全歯形部５の軸方向長さ）ｂ以下である。なお、不完全歯形部６は、完全歯形部５に形成された歯形の切り上げ部を含む部分であり、完全な歯形が形成されていない。

　不完全歯形部６の内穴１１と完全歯形部５の内穴９とは、連通している。不完全歯形部６の内穴１１と基部４の内穴７とは、基部４の前壁に設けられた連通孔８を介して、連通している。従って、完全歯形部５の内穴９、不完全歯形部６の内穴１１及び基部４の内穴７は、前後方向（軸方向Ｊ１）に連続している。これにより、ピニオン２の中央部には、前後方向に貫通する挿通孔１２が設けられる。

　このような構成のピニオン２は、基部４の内穴７にシャフト３が差し込まれた状態で、完全歯形部５の内穴９及び不完全歯形部６の内穴１１を介して、シャフト３の先端面に形成されたネジ孔１３にボルト１４がねじ込まれることで、シャフト３に結合される。これにより、ピニオン２は、シャフト３と一体回転可能に、シャフト３の先端部に取り付けられる。

　第１実施形態のピニオン付きモータ１の場合、従来とは逆に、不完全歯形部６の軸方向長さａが完全歯形部５の軸方向長さｂよりも短い。これにより、ピニオン２の軸方向Ｊ１の長さを短くするために、従来よりも完全歯形部５をシャフト３の基端側Ｊ１１にオフセットすることができる。従って、モータ１全体のサイズをコンパクト化することができる。

　次に、図２を用いて、本発明のピニオン付きモータの第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態で付した符号と同じ符号を有する構成部品は、その作用を同じにするので以下、説明を省略することがある。第２実施形態のピニオン付きモータ１Ａは、ピニオン２の不完全歯形部６の構成が第１実施形態と異なる。

　ピニオン２は、小径部（不完全歯形部６及び完全歯形部５）の基端側Ｊ１１である後側が縮径されている。これにより、不完全歯形部６の外径は、完全歯形部５の外径よりも小径である。このように、不完全歯形部６は、完全歯形部５よりも小径のくびれ形状を有する。

　第２実施形態のピニオン付きモータ１Ａの場合、不完全歯形部６がくびれ形状に形成されている。従って、完全歯形部５に歯形を形成する際に、切り上げが不要になり、歯形の加工を容易に行うことができる。

　次に、図３を用いて、本発明のピニオン付きモータの第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態で付した符号と同じ符号を有する構成部品は、その作用を同じにするので以下、説明を省略することがある。第３実施形態のピニオン付きモータ１Ｂは、ピニオン２のシャフト３への取付構造が第１実施形態と異なる。第３実施形態のピニオン付きモータ１Ｂでは、第２実施形態の場合と同様に、不完全歯形部６がくびれ形状に形成されている。

　第３実施形態のピニオン付きモータ１Ｂでは、第１実施形態の場合と同様に、ボルト１４によってピニオン２がシャフト３に結合される。これに加えて、基部４の内周面とシャフト３の外周面との間には、キー１５が設けられる。この場合、シャフト３の外周面には、軸方向Ｊ１に沿って、キー１５の厚さ方向略半分が嵌め込まれるキー溝１６が設けられている。一方、基部４の内周面には、軸方向Ｊ１に沿って、キー溝１７が設けられている。このキー溝１７は、基端側Ｊ１１である後方側に貫通している。キー溝１７には、シャフト３の外周面から突出するキー１５が嵌め込まれる。このようにして、ピニオン２の基部４は、キー１５を介して、シャフト３に一体回転可能に外挿される。これにより、ピニオン２は、シャフト３と一体回転可能である。

　第３実施形態のピニオン付きモータ１Ｂの場合、ピニオン２は、キー１５を介して、シャフト３に一体回転可能に取り付けられる。従って、シャフト３に対するピニオン２の周方向の回転を確実に防止することができ、安定した動力伝達が可能である。また、モータ１Ｂとして、標準モータを用いることができる。

　次に、図４を用いて、本発明のピニオン付きモータの第４実施形態について説明する。なお、第１実施形態で付した符号と同じ符号を有する構成部品は、その作用を同じにするので以下、説明を省略することがある。第４実施形態のピニオン付きモータ１Ｃは、ピニオン２のシャフト３への取付構造が第１実施形態と異なる。第４実施形態のピニオン付きモータ１Ｃでは、第２実施形態の場合と同様に、不完全歯形部６がくびれ形状に形成されている。

　第４実施形態のピニオン付きモータ１Ｃでは、第１実施形態の場合と同様に、ボルト１４によってピニオン２がシャフト３に結合される。これに加えて、ピニオン２は、シャフト３の先端部にテーパ結合される。そのため、シャフト３の先端部は、先端側Ｊ１２に行くに従って小径となるテーパ状となっている。この場合、ピニオン２の基部４に設けられた軸孔７にシャフト３のテーパ状に形成された先端部が嵌め込まれることで、シャフト３の先端部がテーパ結合される。これにより、ピニオン２は、シャフト３と一体回転可能である。

　第４実施形態のピニオン付きモータ１Ｃの場合、ピニオン２は、シャフト３の先端部にテーパ結合される。従って、第３実施形態の場合と比較して、モータ１Ｃのシャフト３を短くすることができる。これにより、完全歯形部５をシャフト３の基端側Ｊ１１にさらにオフセットすることができる。また、モータ１Ｃとして、標準モータを用いることができる。

　次に、図５を用いて、本発明のピニオン付きモータの第５実施形態について説明する。なお、第１実施形態で付した符号と同じ符号を有する構成部品は、その作用を同じにするので以下、説明を省略することがある。第５実施形態のピニオン付きモータ１Ｄは、ピニオン２の周囲の構成が第１実施形態と異なる。第５実施形態のピニオン付きモータ１Ｄでは、第２実施形態の場合と同様に、不完全歯形部６がくびれ形状に形成されている。

　図５に示すように、ピニオン２の基部４の外周面には、軸受１８が装着される。具体的には、ピニオン２が軸受１８を貫通した状態で、ピニオン２の基部４が軸受１８の内輪１９に嵌め込まれる。この場合、モータ１Ｄが収容される中空状の不図示のケーシングの内面に、軸受１８の外輪２０が固定される。

　第５実施形態のピニオン付きモータ１Ｄの場合、基部４に設けられた軸受１８の外輪２０は前記ケーシングに固定される。従って、ピニオン２の完全歯形部５からモータ１Ｄに作用するモーメントを低減することができる。また、ケーシングに対して、モータ１Ｄのシャフト３を位置決めすることができる。

　次に、図６を用いて、本発明のピニオン付きモータの第６実施形態について説明する。なお、第１実施形態で付した符号と同じ符号を有する構成部品は、その作用を同じにするので以下、説明を省略することがある。第６実施形態のピニオン付きモータ１Ｅは、外形が第１実施形態と異なる。

　具体的には、モータ１Ｅの外形は、正面視において多角形である。図示例では、モータ１Ｅの外形は、正面視において略四角形である。すなわち、モータ１Ｅの本体部分は、上面２１、下面２２、左側面２３及び右側面２４を有している。この場合、例えば、モータ１Ｅの右側面２４と完全歯形部５の所定の歯底の位置とを対応させた状態で、ピニオン２は、シャフト３に前述したようにテーパ結合される。

　第６実施形態のピニオン付きモータ１Ｅの場合、テーパ結合であるので、結合時に多角形のモータ１Ｅの一面と完全歯形部５の所定の歯底の位置とを対応させることができる。従って、テーパ結合する際に、完全歯形部５の位相とモータ１Ｅの外形の位相とに基づいて、完全歯形部５とモータ１Ｅの外形とが位置決めされる。この場合、シャフト３を回転させることなく、完全歯形部５を相手側の歯車に容易に噛み合わせることができる。

　次に、図７を用いて、本発明のピニオン付きモータの第７実施形態について説明する。なお、第１実施形態で付した符号と同じ符号を有する構成部品は、その作用を同じにするので以下、説明を省略することがある。第７実施形態のピニオン付きモータ１Ｆは、ピニオン２の基部４の構成が第１実施形態と異なる。

　具体的には、ピニオン２の基部４は、その外周面に平面部２５を有している。図示例では、基部４の外周面において、基部４の径方向に対応する位置に、一対の平面部２５，２５が、周方向に１８０度の位置関係を有して設けられている。一対の平面部２５，２５は、ピニオン２に設けられた挿通孔１２を介してシャフト３の先端面のネジ孔１３にボルト１４をねじ込む際に把持される部分である。

　第７実施形態のピニオン付きモータ１Ｆの場合、基部４の外周面には、ピニオン２をシャフト３にボルト１４で結合する際に把持される平面部２５が設けられている。従って、ピニオン２をボルト１４にてシャフト３に結合する際に、平面部２５を把持することで、ピニオン２がシャフト３に対して周方向に回転するのを防止できる。これにより、ロボットを用いて、ピニオン２をシャフト３に自動組立することができる。

　次に、図８Ａ及び図８Ｂを用いて、本発明のピニオン付きモータの使用形態について説明する。ここでは、２つのピニオン付きモータによって、多関節ロボットを駆動させる場合について説明する。この場合、ロボットのアームには、ピニオン付きモータと減速装置とを備える歯車機構が２つ設けられる。すなわち、アームを構成するケーシング３２内には、ピニオン付きモータからなる第１モータ２８と第１減速装置２９とを備える歯車機構２６と、ピニオン付きモータからなる第２モータ３０と第２減速装置３１とを備える歯車機構２７とが設けられる。

　第１モータ２８は、中空状のケーシング３２内に設けられる。この際、ケーシング３２の内面に、基部４の外周面に設けられた軸受１８が固定される。第２モータ３０も、第１モータ２８と同様にして、アーム内に設けられる。具体的には、第２モータ３０は、ケーシング３２の内面に基部４の外周面に設けられた軸受１８が固定された状態で、ケーシング３２内に設けられる。この際、第１モータ２８のシャフト３と第２モータ３０のシャフト３とは、互いに平行に配置される。これにより、第１モータ２８及び第２モータ３０は、シャフト３が回転可能に、ロボットのアーム内に設けられる。

　第１減速装置２９は、従来公知の構成であって、例えば、第１モータ２８によって駆動される不図示のピニオン歯車を有する第１駆動軸３３と、ピニオン歯車に噛み合う不図示のリング歯車とを有するハイポイドギヤセットから構成される。第１駆動軸３３は、第１モータ２８の軸方向Ｊ１に延びるシャフト３と平行に配置されるように、軸方向Ｊ２が前後方向に沿うように配置される。第１駆動軸３３の前端部（Ｊ２２側）には、ピニオン歯車が一体回転可能に設けられる。第１駆動軸３３の後端部（Ｊ２１側）には、平歯車３４が一体回転可能に設けられる。この平歯車３４は、第１モータ２８の完全歯形部５に噛み合っている。

　図８Ａに示すように、第１モータ２８は、ピニオン２の完全歯形部５と噛み合う相手側の歯車３４とシャフト３との軸間距離ｃが所定距離となるように位置決めした状態で、ケーシング３２に固定される。ここで、軸間距離ｃとは、第１モータ２８のシャフト３の軸線ｅと歯車３４の軸線ｆとの間の距離である。

　第２減速装置３１は、第１減速装置２９と同様の構成である。第２減速装置３１は、従来公知の構成であって、例えば、第２モータ３０によって駆動される不図示のピニオン歯車を有する第２駆動軸３５と、ピニオン歯車に噛み合う不図示のリング歯車とを有するハイポイドギヤセットから構成される。第２駆動軸３５は、第２モータ３０の軸方向Ｊ１に延びるシャフト３と平行に配置されるように、軸方向Ｊ３が前後方向に沿うように配置される。第２駆動軸３５の前端部（Ｊ３２側）には、ピニオン歯車が一体回転可能に設けられる。第２駆動軸３５の後端部（Ｊ３１側）には、平歯車３６が一体回転可能に設けられる。この平歯車３６は、第２モータ３０の完全歯形部５に噛み合っている。

　図８Ｂに示すように、第２モータ３０は、ピニオン２の完全歯形部５と噛み合う相手側の歯車３６とシャフト３との軸間距離ｄが所定距離となるように位置決めした状態で、ケーシング３２に固定される。ここで、軸間距離ｄとは、第２モータ３０のシャフト３の軸線ｇと歯車３６の軸線ｈとの間の距離である。

　従来では、軸方向に長いピニオンが設けられたモータを手首アーム内部に格納するために、手首アーム長が長くなっていた。さらに、ロボットに対してピニオン付きモータの取り外しができるように、モータのピニオンが取り付けられた側とは反対側にも余剰空間を確保する必要があることも、手首アーム長の増加につながっていた。この場合、ロボットのイナーシャが大きくなってしまうため、動作性能を制限する必要があった。これに対し、本実施形態の場合、ピニオン２の軸方向の長さが短いため、手首アーム長を必要以上に長くしなくてもよく、動作性能を上げることができる。

　また、従来では、ピニオン付きモータのピニオンが前後方向に長いため、モータをアームに取り付ける際にピニオンが撓んでしまうことがあった。この場合、ピニオン付きモータは、位置を調整しながらアームに取り付けられていた。これに対し、本実施形態の歯車機構２６，２７の場合、ピニオン２の前後方向の長さが従来よりも短いため、軸間距離が正しい位置となるよう調整することなく、ピニオン付きモータ２８，３０をケーシング３２に取り付けることができる。また、本実施形態の場合、ピニオン２の撓みを軽減することができるので、動作時のギヤの倒れを軽減することができる。これにより、異音や回転ムラ、歯の摩擦等を抑制することができる。

　なお、本発明は各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

　図９を用いて、本発明のピニオン付きモータの第１変形例について説明する。なお、第１実施形態で付した符号と同じ符号を有する構成部品は、その作用を同じにするので以下、説明を省略することがある。第１変形例のピニオン付きモータ１Ｇは、ピニオン２の完全歯形部５の構成が第１実施形態と異なる。第１変形例のピニオン付きモータ１Ｇでは、第２実施形態の場合と同様に、不完全歯形部６がくびれ形状に形成されている。また、ピニオン２は、第４実施形態の場合と同様に、テーパ結合によりシャフト３に結合される。

　図９に示すように、ピニオン２の完全歯形部５の内穴９は、段付き孔であり、前側（Ｊ１２側）に大径孔３７、後側（Ｊ１１側）に小径孔３８が位置している。図示例では、大径孔３７の前後方向（軸方向Ｊ１）の長さは、ボルト１４の頭部の前後長さよりも短い。このような構成であるので、ボルト１４がピニオン２を介してシャフト３にねじ込まれた状態において、ボルト１４の頭部の一部が大径孔３７内に収容される。

　第１変形例のピニオン付きモータ１Ｇの場合、完全歯形部５の大径孔３７がざぐり孔となっている。従って、ボルト頭部の前側（Ｊ１２側）への突出を低減して、ボルト頭部を後側（Ｊ１１側）にオフセットすることができる。

　図１０を用いて、本発明のピニオン付きモータの第２変形例について説明する。なお、第１実施形態で付した符号と同じ符号を有する構成部品は、その作用を同じにするので以下、説明を省略することがある。第２変形例のピニオン付きモータ１Ｈは、ピニオン２の完全歯形部５の構成が第１実施形態と異なる。第２変形例のピニオン付きモータ１Ｈでは、第２実施形態の場合と同様に、不完全歯形部６がくびれ形状に形成されている。

　図１０に示すように、完全歯形部５の軸方向の長さｉは、完全歯形部５の外径ｊ以下である。従って、第２変形例のピニオン付きモータ１Ｈによれば、完全歯形部５をシャフト３の基端側Ｊ１１にさらにオフセットすることができる。

　１　　ピニオン付きモータ
　２　　ピニオン
　３　　シャフト
　４　　基部
　５　　完全歯形部
　６　　不完全歯形部
　７　　内穴（軸孔）
１２　　挿通孔
１３　　ネジ孔
１４　　ボルト
１５　　キー
１８　　軸受
２０　　外輪
２５　　平面部
２６　　歯車機構
２７　　歯車機構
２８　　第１モータ
３０　　第２モータ
３２　　ケーシング
３４　　平歯車
３６　　平歯車

Claims

　先端部にピニオンが設けられたシャフトを有するピニオン付きモータであって、
　前記ピニオンは、
　前記シャフトに装着される基部と、
　前記シャフトの外径以下の外径を有し、歯車として機能する完全歯形部と、
　前記基部と前記完全歯形部との間に設けられ、前記シャフトの軸方向における長さが前記完全歯形部の前記軸方向における長さ以下で、歯車として機能しない不完全歯形部と、を有する、ピニオン付きモータ。
　前記不完全歯形部は、前記完全歯形部よりも小径のくびれ形状を有する、請求項１に記載のピニオン付きモータ。
　前記基部は、キーを介して、前記シャフトに一体回転可能に外挿される、請求項１又は２に記載のピニオン付きモータ。
　前記シャフトの先端部は、先端側に行くに従って小径となるテーパ状となっており、
　前記基部に設けられた軸孔に前記シャフトの先端部が嵌め込まれて、前記シャフトの先端部はテーパ結合される、請求項１又は２に記載のピニオン付きモータ。
　前記基部の外周面には、軸受が装着されており、
　前記軸受の外輪が中空状のケーシングの内面に固定されることで位置決めされる、請求項１から４のいずれかに記載のピニオン付きモータ。
　前記モータの外形は、多角形であり、
　テーパ結合する際に、前記完全歯形部の位相と前記モータの外形の位相とに基づいて、前記完全歯形部と前記モータの外形とは位置決めされる、請求項４に記載のピニオン付きモータ。
　前記基部は、その外周面に、前記ピニオンに設けられた挿通孔を介して前記シャフトの先端面にボルトをねじ込む際に把持される平面部を有する、請求項１から６のいずれかに記載のピニオン付きモータ。
　請求項１から７のいずれかに記載のピニオン付きモータを備える歯車機構であって、
　前記ピニオン付きモータは、前記完全歯形部と噛み合う相手側の歯車と前記シャフトとの軸間距離が所定距離となるように位置決めした状態で、ケーシングに固定される、ピニオン付きモータを備える歯車機構。