JP2007288949A - 減速機内蔵電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】バックラッシのない減速機内蔵電動機を提供できるようにする。
【解決手段】電動機と減速機とを備えた減速機内蔵電動機において、前記電動機の固定子１６の内側に備えた減速用内歯車３と、前記固定子１６の軸心１に対して偏心した軸心２をもつ回転子３０の外側に備えた減速用外歯車４と、前記回転子３０の一方に偏心を吸収するカップリング２３を通して連結された出力軸５とからなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットの関節駆動用に用いられる減速機付電動機に関する。

従来の減速機内蔵電動機は、電動機と回転検出器と減速機で構成されている。その典型的な構成方法は、電動機部と減速機部を軸方向に並べて配置した物（例えば、特許文献１参照）や、電動機部の内側に減速機部を配置もの（例えば、特許文献２参照）がある。
図８は電動機部と減速機部を軸方向に並べて配置した例であり、電動機部は１６の固定子、１５のマグネット、１４のロータヨークで構成され、３１の減速機部は電動機部で発生した回転力を減速し、出力軸５に伝える。１７は回転検出器、９、１０、１１は軸受である。
このように、従来の減速機内蔵電動機では、電動機部と減速機部はそれぞれフレームの中で個別に存在し、連結されていた。
特開平１１−０８９１７６号公報（図１） 特開２００１−１１２２１５号公報（図１）

従来の減速機内蔵電動機は、ロボットの関節駆動用等に使用する場合には小形軽量であることを要求されるが、減速機部と電動機部の各々が出力に合ったスペースを必要とし、小形軽量にするのは難しいという問題があった。
また、減速機構の内歯車と外歯車の組み合わせにより減速し、減速後の回転を出力軸より伝達しているが、歯車部で生じるバックラッシが直接出力軸のガタとなるためロボット等の姿勢を保持できないことや位置決め精度が低下する等の動作に不具合を起こす等の問題が生じていた。
また、モータのすり鉢駆動のような動作により内歯車と外歯車間の噛み合いが、傾いて噛みあうと歯車面の損傷を引き起こすだけでなく、寿命の低下や歯折れが起こる等の問題が生じていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、小型化してバックラッシを生じることなく高精度な動作することができる減速機内蔵電動機を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、電動機と減速機とを備えた減速機内蔵電動機において、前記電動機の固定子の内側に備えた減速用内歯車と、前記固定子の軸心に対して偏心した軸心をもつ回転子の外側に備えた減速用外歯車と、前記回転子の一方に偏心を吸収するカップリングを通して連結された出力軸とからなるものである。
請求項２に記載の発明は、電動機と減速機とを備えた減速機内蔵電動機において、前記電動機の固定子の内側に備えた減速用内歯車と、前記固定子の軸心に対して偏心した軸心をもつ回転子の外側に備えた減速用外歯車と、前記回転子の一方に偏心を吸収するカップリングを通して連結された出力軸と、前記回転子の軸方向を回転自在に支持するスラスト軸受とからなるものである。
請求項３に記載の発明は、電動機と減速機とを備えた減速機内蔵電動機において、 前記電動機の固定子の内側に備えた減速用内歯車と、前記固定子の軸心に対して偏心した軸心をもつ回転子の外側に備えた減速用外歯車と、前記回転子の一方に偏心を吸収する可撓性軸を通して連結された出力軸とからなるものである。
請求項４に記載の発明は、前記回転子のもう一方に偏心クランク連結し、前記偏心クランクの軸に回転検出器を備えたものである。
請求項５に記載の発明は、前記固定子と前記回転子が径方向について前記固定子の軸心に対して偏芯し、前記回転子と前記固定子間で作用する磁気吸引力により前記内歯車と前記外歯車間に予圧が与えられたものである。
請求項６に記載の発明は、前記内歯車および前記外歯車の少なくとも一方が転位した歯形を形成したものである。
請求項７に記載の発明は、前記外歯車および前記内歯車と、前記回転子のマグネットおよび前記固定子の各々は、軸方向の長さの中心に対して対称に配置されたものである。
請求項８に記載の発明は、前記外歯車および前記内歯車と、前記回転子のマグネットおよび前記固定子の各々は、軸方向の長さが一致して配置されたものである。
請求項９に記載の発明は、前記固定子の前記減速用内歯車が、前記固定子を構成するコアに直接歯形が形成されたものである。
請求項１０に記載の発明は、前記回転子の前記減速用外歯車が、前記回転子の表面を構成するマグネット、あるいはコアなどの回転子鉄心に直接形成されたものである。
請求項１１に記載の発明は、前記減速用外歯車と前記減速用内歯車の部分が摩擦車であるものである。

本発明によると、電動機構成部品と減速機構成部品のスペースを重複して配置することができ、全体を小形軽量化することができる。
また、電動機構成部品と減速機構成部品を一体化することができ、さらに全体を小形軽量化することができる。
また、電動機の固定子の内側に減速用内歯車を、固定子の軸心に対して偏心した軸心をもつ回転子の外側に減速用外歯車を固定し、その回転子に一方は偏心を吸収するカップリングを通して出力軸が連結されたことを特徴とする減速機付電動機において、内歯車と外歯車のバックラッシをなくすことができる。
さらに、回転子のマグネットと固定子間に作用する磁気吸引力が外歯車と内歯車の噛みあう際の予圧に歯の軸方向の長さ全体に均等に作用することから、外歯車と内歯車が傾くことなく噛みあうことで、寿命の低下や歯折れまたは歯面の損傷が起こることなく精度良く動作することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１において、１６は電動機の固定子で巻線、コア等で構成されており外部からの電気で回転磁界が発生する。内歯車３は固定子１６の内径に固定されておりその中心は中心軸１である。外歯車４の中心は偏心軸２であり、円周上の１ヶ所で内歯車３と噛み合っている。マグネット１５とロータヨーク１４で構成される回転子は外歯車の内側にあり、その中心は偏心軸２である。
本発明が特許文献１および２と異なる部分は、減速機を構成する差動歯車の内歯車を電磁部の固定子の内側に、外歯車を回転子の外側に配置し、回転子を偏心軸とし、固定子に回転磁界を発生させ、回転子の公転運動部に検出器を取り付け、一方自転動作のみをカップリングを用いて取り出し、出力軸として配置する用にした点である。
次に動作について説明する。固定子１６に回転磁界を加えると、回転子３０の中心である偏心軸２は回転磁界分だけ中心軸１のまわりを回る（公転する）。一方、内歯車３と外歯車４には歯数差があり、回転子が１回転するとその歯数差分がずれる（自転する）。カップリング２３はこの回転子の公転動作を除き、自転動作のみを出力軸５に伝えるようにしたもので、オルダムカップリング等を用いる。一方、偏心クランク７は回転子３０の公転動作に自転動作を加えた動きを検出器軸８に伝えるようにしたもので、中心軸１をもつ検出機軸８に対し偏心軸２だけずれた位置に固定されており、軸受１２を介してロータヨーク１４に回転連結されている。回転検出器１７は公転動作と自転動作を加えた回転量を検出する。軸受１１はロータヨーク１４を支える軸受、軸受９は出力軸５を支える軸受である。１８は全体を収納するフレームである。
図２は、本発明の減速機内蔵電動機歯車の噛み合い部を回転軸に対して直角方向から見た図である。図２に示すように、固定子１６の軸心とロータヨーク１４とマグネット１５からなる回転子の偏心軸２は、径方向にずれた関係に配置されている。このために、固定子１６とマグネット１５間で作用する磁気吸引力で、回転子の偏心軸２は径方向にずれるような磁気吸引力が作用する。そこで、固定子１６内周に配置された内歯車３と回転子外周に配置された外歯車４は、磁気吸引力により予圧が加わり、噛み合っている。この場合、通常の歯車形状であれば、切り下げや歯先の干渉が生じるが、回転子の偏心軸２の変位量に相当する転位係数を与えて歯形形状にすることで歯形の干渉が生じないようにしている。

次に、オルダムカップリング６０の構造について簡単に説明する。 図３はオルダム方式の１例を説明する図で、（ａ）は組み立て斜視図、（ｂ）は分解斜視図である。図において、６０はオルダムカップリング、６１は入力軸、６２は溝付き入力側円板、６３は溝付き出力側円板、６４は出力軸、６５は伝達円板である。図から判るように、入力軸６１に溝付き入力側円板６２を取付け、その入力軸６１と偏心した出力軸６４に同じく溝付き出力側円板６３を入力側円板６２と間隔をあけて対向して取付け、入力側円板６２の溝６２ａと出力側円板６３の溝６３ｂはどちらも円板の端から端まで直径を通る直線溝で、互いに直交関係に配置されている。そして入力側円板６２と出力側円板６３の間に伝達円板６５が介在している。その伝達円板６５の入力側円板６２側には入力側円板６２の溝６２ａに噛み合う凸部６５ａを形成しかつその出力側円板６３側には出力側円板６３の溝６３ｂに噛み合う凸部６５ｂを形成している。
次に、オルダムカップリング６０の動作を説明する。入力軸６１が回転すると入力側円板６２が回転し、その溝６２ａに伝達円板６５の凸部６５ａが噛み合うので伝達円板６５が回転し、溝６２ａの中を噛合い互いにすべりながら伝達円板６５はその反対側の凸部６５ｂで出力側円板６３の溝６３ｂに噛合い互いにすべりながら偏心出力側円板６３に回転を伝える。

次に、外歯車３と内歯車４の配置について図１を用いて説明する。外歯車３と内歯車４は、マグネット１５と固定子１６間で作用する磁気吸引力により外歯車３と内歯車４の噛みあい率が高くなるように予圧が与えられる。この時の予圧が外歯車３と内歯車４の軸方向に均一に作用するように、外歯車３と内歯車４の軸方向長さの中心と、マグネット１５と固定子１６の軸方向長さの中心が一致するように配置され、外歯車３および内歯車４と、マグネット１５および固定子１６が軸方向の長さの中心に対して対称の関係に配置されている。このような配置にすることにより、外歯車３と内歯車４間には均等な磁気吸引力が作用し、不均一な磁気吸引力による片当たりが生じることがない噛み合いが得られる。本実施例では、外歯車３と内歯車４およびマグネット１５と固定子１６の軸方向長さが同じ長さで製作した例で説明している。

図４は第２実施例の構成を示す図である。本発明が実施例１と異なる部分は、ロータヨーク１４は半径方向を内歯車３、および外歯車４で支えられ、軸方向はカップリング２３とスラスト軸受２４で位置決めされた点である。
図４に示すようにマグネット１５とロータヨーク１４で構成される回転子３０は、固定子１６とマグネット１５間で作用する磁気吸引力で内歯車３と外歯車４に予圧が生じていることから径方向が回転自在に支持されており、回転子端面にスラスト軸受２５が配置されることで軸方向が支持されている。

図５は、第３実施例の構成を示す側面図である。本発明の実施例１および２と異なる部分は、オルダムカップリングの代わりに可撓性軸を用いて回転子の公転動作を取り除く構造にした点である。
図５において、可撓性軸６はこの回転子３０の公転動作を除き、自転動作のみを出力軸５に伝えるようにしたもので、回転方向には剛性が大きく、可撓性軸６に直角な方向は剛性が弱くなるように可撓性軸６に対して直角方向にスリットが入っている。

図６は第４実施例の構成を示す断面図である。本発明が実施例１から３と異なる部分は、内歯車と外歯車を、各々固定子およびマグネットに形成した部分である。
図６に示すように内歯車３は固定子１６を構成するコアに直接形成されている。また、外歯車４は回転子３０のマグネット１５に直接形成されている。マグネットの材料はＳｍ−Ｃｏ、プラスチックマグネット等が多様な材料の永久磁石を用いることができる。

図７は第２実施例の構成を示す図である。固定子の内側を軸に対し直角方向から見た図であり、固定子１６の内側に外側摩擦板２１が、偏心軸２を中心としたマグネット１５の外側に内側摩擦板２２が固定されており、固定子１６と回転子３０の電磁部の励磁作用により内側摩擦板２２はその外周が外側摩擦板２１の内周に円周上の一箇所で接触しながら自転と公転する。

なお、上記実施例は回転子表面に永久磁石を持つ構成を説明したが、本発明はこの構成に限定するものではなく、回転子表面に永久磁石を持たないタイプの各種モータに適用できることは言うまでもない。
例えば、磁石を回転子内部に埋め込んだＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータや、固定子極と回転子極がある程度近い位置にあるときに固定子極の相を励磁すると回転子極が固定子極にひきつけられることを利用して、固定子極と回転子極が完全に対向する直前で次の相に励磁を切り換えることを繰り返すことで磁石を使用しないでも連続的に回転させることができるリラクタンスモータにおいても、本発明は適用できる。その場合は、回転子の減速用外歯車をコアなどの回転子鉄心に直接形成するようにすればよい。
このように、電動機の固定子と回転子を偏心させ遊星減速方式の構成にすることにより減速機内蔵電動機を小形軽量にすることができる。また、減速機の一部である固定子と回転子のすきまに配置された歯車を固定子と回転子で発生する磁力により密着させることによりバックラッシのない減速機内蔵電動機ができる。

本発明の第１実施例を示す減速機内蔵電動機の側断面図 本発明の第１実施例を示す減速機内蔵電動機の歯車部を軸に対して直角方向から見た図 オルダム方式の1例を示す図 本発明の第２実施例を示す減速機内蔵電動機の側断面図 本発明の第３実施例を示す減速機内蔵電動機の側断面図 本発明の第４実施例を示す内歯車と外歯車の構造を示す図 本発明の第5実施例を示す摩擦板の構造を示す図 従来の減速機内蔵電動機の側断面図

符号の説明

１ 中心軸
２ 偏心軸
３ 内歯車
４ 外歯車
５ 出力軸
６ 可撓性軸
７ 偏心クランク
８ 検出器軸
９〜１２ 軸受
１３ 偏心軸受
１４ ロータヨーク（回転子）
１５ マグネット（回転子）
１６ 固定子
１７ 回転検出器
２１ 外側摩擦板
２２ 内側摩擦板
２３ カップリング
２４ 巻線
２５ スラスト軸受
３０ 回転子
３１ 減速機

Claims (11)

1. 電動機と減速機とを備えた減速機内蔵電動機において、
   前記電動機の固定子の内側に備えた減速用内歯車と、前記固定子の軸心に対して偏心した軸心をもつ回転子の外側に備えた減速用外歯車と、前記回転子の一方に偏心を吸収するカップリングを通して連結された出力軸とからなることを特徴とする減速機内蔵電動機。
2. 電動機と減速機とを備えた減速機内蔵電動機において、
   前記電動機の固定子の内側に備えた減速用内歯車と、前記固定子の軸心に対して偏心した軸心をもつ回転子の外側に備えた減速用外歯車と、前記回転子の一方に偏心を吸収するカップリングを通して連結された出力軸と、前記回転子の軸方向を回転自在に支持するスラスト軸受とからなることを特徴とする減速機内蔵電動機。
3. 電動機と減速機とを備えた減速機内蔵電動機において、
   前記電動機の固定子の内側に備えた減速用内歯車と、前記固定子の軸心に対して偏心した軸心をもつ回転子の外側に備えた減速用外歯車と、前記回転子の一方に偏心を吸収する可撓性軸を通して連結された出力軸とからなることを特徴とする減速機内蔵電動機。
4. 前記回転子のもう一方に偏心クランク連結し、前記偏心クランクの軸に回転検出器を備えたことを請求項１または３記載の減速機内蔵電動機。
5. 前記固定子と前記回転子が径方向について前記固定子の軸心に対して偏芯し、前記回転子と前記固定子間で作用する磁気吸引力により前記内歯車と前記外歯車間に予圧が与えられたことを特徴とする請求項１乃至３記載の減速機内蔵電動機。
6. 前記内歯車および前記外歯車の少なくとも一方が転位した歯形を形成したことを特徴とする請求項請求項１乃至３記載の減速機内蔵電動機。
7. 前記外歯車および前記内歯車と、前記回転子のマグネットおよび前記固定子の各々は、軸方向の長さの中心に対して対称に配置されたことを特徴とする請求項請求項１乃至３記載の減速機内蔵電動機。
8. 前記外歯車および前記内歯車と、前記回転子のマグネットおよび前記固定子の各々は、軸方向の長さが一致して配置されたことを特徴とする請求項請求項１乃至３記載の減速機内蔵電動機。
9. 前記固定子の前記減速用内歯車は、前記固定子を構成するコアに直接歯形が形成されたことを特徴とする請求項１乃至３記載の減速機内蔵電動機。
10. 前記回転子の前記減速用外歯車は、前記回転子の表面を構成するマグネット、あるいはコアなどの回転子鉄心に直接形成されたことを特徴とする請求項１乃至３記載の減速機内蔵電動機。
11. 前記減速用外歯車と前記減速用内歯車の部分が摩擦車であることを特徴とする請求項１乃至３記載の減速機内蔵電動機。

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