JP2006101605A - 平行軸型歯車減速機付き電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】
平歯車、ハスバ歯車、及び、円錐歯車を利用した低バックラッシュ減機構を有する歯車装置において，歯車の精度誤差と切削精度誤差を弾性体で吸収するによる方法を提供し、歯車や軸受を長期に亘って交換せずに使用可能な歯車装置を提供する。
【解決手段】
平歯車、ハスバ歯車、及び、円すい角が概略等しい円錐歯車対を有する平行軸型歯車装置であって，モータとスペーサ間に、及び、スペーサと減速機間に弾性体からなるスペーサを使用し、更にスペーサとモータ間と、スペーサと歯車箱間を締結する場合、モータとスペーサ間と、スペーサと歯車箱とを取りつける為面が、並行する２面であり、その２面上でモータ中心を通り、ほぼ直角に交差、モータの中心から等間隔で、且つ、各々２点で固定する事で、歯車の精度誤差と切削精度誤差で必要になるバックラッシュを弾性体で吸収する。
【選択図】 図１

Description

本発明は，バックラッシの小さな歯車装置の構造に関わり，特に位置決め精度を要求されるアクチュエータ用歯車装置の機構に関する。

例えば，ロボット腕駆動用アクチュエータなどにおいては，腕の位置決め精度をとりわけ高く要求されるため，ロータリーエンコーダなどにより得られる軸の回転角を用いて，位置制御を行なうことが多い。
一方，駆動電動機を小型化するため，一般にアクチュエータは歯車減速機を備えているが，反負荷歯面側のすきまであるバックラッシは，誤差や変形を吸収するため歯車装置には不可欠な反面，これによるすきまの分，軸の回転角が不定となる。これは制御により解消困難なため，バックラッシの存在は，アクチュエータの位置決め精度悪化要因の一つとなっている。

これに対し，円錐歯車などを用いて，バックラッシを調整する機構が提案されている。円錐歯車は，円筒歯車の転位係数を軸方向に直線的に変化させた歯車であり，円錐歯車，コニカルギヤとも呼ばれる。転位係数の変化に応じて歯厚も軸方向に変化するため，歯車を軸方向に移動させることにより，バックラッシを調整することが可能となる。ところが，このような歯車位置調整機構は，一般に調整手順が煩雑であるため，小型，かつ大量に生産される歯車装置に対しては，適用が困難である。また，長期間使用した結果歯面が摩耗すると，バックラッシが増加してしまうという問題もある。

この問題に対して，例えば特許文献１のような構造が提案されている。すなわち，歯車の一方を軸方向に可動とし，可動歯車を軸方向に付勢するばねを設けることにより，両歯面を密着させてバックラッシを０とする構造である。この構造によると，付勢ばねにより両歯面は自動的に密着するため，バックラッシを低減するための精密な調整作業が不要となる。また，長期の使用により歯面が摩耗しても，付勢ばねにより両歯面は密着したままとなるため，バックラッシが増加することはない。
又、特許文献２には、ギアケースの貫通孔を介してバックラッシュが無くなるように調整し、電動機の出力軸の撓み量が、減速側出力軸の歯車の噛み合い振れと、電動機における出力軸に直接歯切りされ、又は、単体で歯切りされた小歯車を出力軸に固定された歯車の噛み合い振れの合計値に等しくなる様に組立てられる等の提案がなされている。

特開平６−２５７６６０ 特開２００３−２５７２０７

円錐歯車の円錐角は一般に小さく，数度であることが多い。これは，図３に示すように，円すい歯車の転位係数が，歯の一方の端部では大きく，他方では小さくなることに基づいている。つまり，歯数の小さな小歯車において，転位係数が大なる端部においては歯先が尖り，転位係数が小なる端部においては歯元側でアンダカットを生じる可能性があるためである。この制約は，円錐角や歯幅が大きくなるほど，あるいは歯数が小さくなるほど厳しくなる。従って，現実的な減速比を有する，円すい歯車を用いた平行軸型歯車装置において，歯車の円錐角は小さくなるのが一般的である。
ところで，円錐歯車を軸方向に付勢する場合，これにより歯面に生じる反力は，くさびのそれと同様に，軸方向の推力に比較して大きい。また，これもくさびと同様に，円錐角が小さくなるほど，軸方向の推力により歯面に生じる反力は大きくなる。このため，前述したような小さな円錐角を持つ円錐歯車対の一方を軸方向に付勢した場合，歯面に生じる反力は極めて大きくなり，歯車や軸受の寿命を大幅に短くするばかりでなく，騒音や振動の増加を招くことも多い。
本発明は，平歯車、ハスバ歯車、そして、円すい歯車を利用したバックラッシ低減機構を有する歯車装置において，低バックラッシ減速機構や、バックラッシの無い減速機構で、歯車単体の精度誤差により発生する撓み量を吸収する方法を提供するとともに，歯車や軸受を長期に亘って交換せずに使用可能な，スペーサとモータ間と、スペーサと減速機ケース間を、そのスペーサが弾性体からなる平行軸型歯車減速機付き電動機を提供する為、なされたものである。

１．本発明による歯車装置は，平歯車、ハスバ歯車、そして、円錐歯車で、その中の円錐歯車は、円錐角が概略等しい円錐歯車対を有する平行軸型歯車装置であって，モータスとペーサ間と、スペーサと減速機ケース間とを締結するそのスペーサが弾性体からなる。
２．更にスペーサとモータ間と、スペーサと歯車箱間とを締結する場合、モータとスペーサ間と、スペーサと歯車箱とを取りつける為の面が、平行する２面であり、その２面上でモータ中心を通り、ほぼ直角に交差し、モータの中心から等間隔で、且つ、各々２点で固定する。
上記１．２．の構成にする事で、弾性体スペ−サの剛性と、ほぼ直行に交差する各２点で固定することで生ずる剛性力がフレキシブルに作用し、歯車の精度誤差によるストレスを吸収し、低バックラッシュで、且つ、静粛で動作可能な平行軸型歯車減速機付き電動機を提供する。

上記のように歯車装置を構成することにより，歯車の両歯面は密着状態に維持され，バックラッシが最小化されるため，高精度の位置決めが可能となる。また，モータとスペーサ間と、スペーサと歯車箱とを取りつける為の面が、平行する２面であり、その２面上でモータ中心を通り、ほぼ直角に交差し、モータの中心から等間隔で、且つ、各々２点で固定する事で、噛み合い誤差による推力の一部を弾性体であるスペーサが負担することにより，噛み合い誤差による推力を吸収し、歯面に発生する反力は小さく，歯車や軸受を長期に亘って損傷なく継続使用することが可能となる。

電動機の出力軸に直接歯切りを行なうか、出力軸の先端に切削された小歯車を圧入、又は、ピンにて固定されていて、モータの前カバーには、減速機構のカバーと嵌合が可能なインロー部分を持ち、モータ出力軸の先端の小歯車と直接噛み合う大歯車で構成した一段減速機構が望ましい。一段減速機構であることでバックラッシュの測定が容易であり、調整によるバックラッシュ管理も容易である。

本発明による実施の形態を図１に示す。駆動電動機１は，ロータコア２，ロータコアと一体になった小歯車軸３，小歯車軸と嵌合し，これを回転自在に支持する小歯車軸受４ａ，４ｂ，小歯車軸受と夫々嵌合する電動機ハウジング５ａ，５ｂ，電動機ハウジングの間に挟みこまれて形成されたステータコア６から成る，例えばステッピングモータのような制御用電動機である。小歯車軸の一方の端には小歯車７ａが形成されており，小歯車軸受４ａは小歯車とロータコアとの間，小歯車軸受４ｂは小歯車とは反対側の小歯車軸端近傍に設けられている。

モータとスペーサ間は、モータ中心を通り、中心から等間隔で、２点で締結されている。又、スペーサ厚み方向の他方の面は、モータ中心を通り、中心から等間隔で、２点で減速機と締結されている。その各々が締結した２点は、モータ中心で直行するようになっている。
小歯車７ａ，及びこれとかみあう大歯車７ｂは，いずれも円すい角が概略等しい円すい歯車であり，互いの軸が平行になるよう配置されている。大歯車軸受８ａ，８ｂもまた転がり軸受であり，これらは大歯車と一体になった大歯車軸９，及び歯車箱１０と同時に嵌合し，大歯車軸を歯車箱に対して回転自在に支持している。

弾性体であるスペーサは、ヤング率が８００ＭＰａから３０００ＭＰａの範囲で自由度を持ち、スペーサの厚みをパラメータとして最適なヤング率が、選択される。

ところで，歯車や歯車軸，歯車箱には免れがたい形状誤差があり，また動力を伝達する過程や温度変化により変形が発生する。この場合，バックラッシが存在しないと，歯車のかみあいは減速機各部を変形させながら進行することになり，その反力として各部のばね定数に応じた内力が発生する。その内力を弾性体にしたスペーサが吸収し、モータの中心を通る直行２面で、各々２点で締結する事で吸収する自由度を増加させる。
本発明においては，小歯車軸受を小歯車とロータコアとの間，及び小歯車とは反対側の小歯車軸端部近傍に設けることで小歯車が片持ち構造となり，小歯車軸の曲げ剛性が低下する。さらに，小歯車と，小歯車軸受４ａとの間に，部分的に軸径が小さい部位を設け，かつ小歯車軸軸端部の荷重支持体は小歯車を径方向には拘束しないよう凸球面形状とすることで，小歯車軸の曲げ剛性はさらに低くなる。この結果，形状誤差によって発生する内力は小さく，歯車や軸受に対する負担は小さい。弾性体かならなるスペーサのヤング率を小さくすることで、誤差や変形に起因する内力を小さく維持することが可能となる。

以上のように歯車装置を構成し，駆動電動機に通電すると，ロータコアは回転し，小歯車から大歯車へと動力が伝達される。モータとスペーサ間に偏心リング（図示は省略してある）を介し、偏心リングによる軸間調整用機構を持たせることで、大歯車と小歯車間の噛み合い軸間距離を調整することにより，バックラッシを最小に調整可能であるため，小歯車の回転は正確に大歯車へと伝達される。
電動機ハウジングと歯車箱とは弾性体からなるスペーサを介して結合されているため，モータハウジングと歯車箱とが相対的に変位することで，発生する内力を逃がすことができる。このため，歯車や軸受に対する負担は小さく，長期に亘ってこれらを交換せずに運転が可能である。

ロボット腕駆動用アクチュエータなどにおいては，腕の位置決め精度をとりわけ高く要求されるため，ロータリーエンコーダなどにより得られる軸の回転角を用いて，位置制御を行なうことが多い。一方，駆動電動機を小型化するため，一般にアクチュエータは歯車減速機を備えているが，反負荷歯面側のすきまであるバックラッシは，誤差や変形を吸収するため歯車装置には不可欠な反面，これによるすきまの分，軸の回転角が不定となる。これは制御により解消困難なため，バックラッシの存在は，アクチュエータの位置決め精度悪化要因の一つとなっている。この様なバックラッシの存在が，アクチュエータの位置決め精度を決めて、その向上が必要な用途に産業上の利用可能性がある。

本発明による実施の形態を説明する正面図及び側面断面図である。 本発明による弾性体からなるスペーサの正面図及び側面図である。 歯車箱，電動機，スペーサの組付形態を示す説明図である。

符号の説明

１・・・電動機，
２・・・ロータコア，
３・・・小歯車軸，
４・・・小歯車軸受，
５・・・電動機ハウジング，
６・・・ステータコア，
７・・・歯車対，
８・・・大歯車軸受，
９・・・大歯車軸，
１０・・・歯車箱，
１１・・・スペーサ
１２・・・歯車箱，スペーサ取付用穴
１３・・・スペーサ，電動機取付用穴
１４・・・歯車箱，スペーサ取付用ネジ
１５・・・スペーサ，電動機取付用ネジ

Claims (4)

1. 歯車対を有する平行軸型歯車装置であって，モータとスペーサ、スペーサと歯車箱とを取りつける為の面が、並行する２面であり、その２面上でモータ中心を通り、ほぼ直角に交差し、モータの中心から等間隔で、且つ、各々２点で固定し、該スペーサが弾性体からなる平行軸型歯車減速機付き電動機。
2. 請求項１に記載する平行軸型歯車減速機付き電動機であって、該歯車対は円錐角が概略等しい円錐歯車対を有する平行軸型歯車装置であって，モータとスペーサ、スペーサと歯車箱とを取りつける為の面が、並行する２面であり、その２面上でモータ中心を通り、ほぼ直角に交差し、モータの中心からほぼ等間隔で、且つ、各々２点で固定し、該スペーサが弾性体からなる平行軸型歯車減速機付き電動機。
3. 請求項１に記載の減速機付き電動機であって，該スペーサの厚みが１ｍｍから１２ｍｍの範囲で、且つ、弾性体のヤング率が８００ＭＰａから３０００ＭＰａの範囲内にある事を特徴とするスペーサが弾性体からなる平行軸型歯車減速機付き電動機。
4. 請求項１に記載の減速機付き電動機であって，電動機がハイブリッド型ステッピングモータであることを特徴とするスペーサが弾性体からなる平行軸型歯車減速機付き電動機。