JP2016205521A - バックラッシュレス遊星歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックラッシュ量の少ない遊星歯車装置を提供するものである。
【解決手段】従来の遊星歯車装置及び３Ｋ型不思議遊星歯車装置において、入力回転部を停止後、固定した際に、以下の状態の遊星歯車を共存させ、バックラッシュ低減する。
時計側死点遊星歯車：反時計側には公転可能だが、時計側には公転不能。
反時計側死点遊星歯車：時計側には公転可能だが、反時計側には公転不能。
【選択図】 図１

Description

本発明は、遊星歯車装置からバックラッシュを除去する方法に関するものである。

従来、歯車機構には、円滑に動作することができるように、ある程度のガタ（バックラッシュ）を設けている。
近年、高い停止精度を求められるケースが増え、バックラッシュ量を低減させるために、各種の方法が採られて来た。
精度向上による方法と、相手歯車に歯車を誘導する方法に大別されると、従来考えられてきた。
前者は、円滑動作させるために、バックラッシュが必要であるから、効果は限定的である。
後者の代表的な物として、波動歯車（商品名 ハーモニックドライブ）とシザースギアに代表されるバネ等の弾性により連結された2枚の歯車により、相手歯車を挟む方法があげられる。
波動歯車は、可動性の有る歯車（フレクスプライン）を撓ませる事により、固定された内歯車側に移動させ、噛み合わせる機構である。

後者の弾性利用のうち、本発明に構造や作用が比較的似ている方法として、次の物が有る。

特開２００７−１７０４５９これは、２段遊星歯車の捻じれによる弾性力を利用し、内歯車を挟み込むようにして、バックラッシュ除去するものである。

しかしながら、波動歯車装置（商品名 ハーモニックドライブ）では、特殊加工が必要で高価になる。また薄いフレクスプラインを撓ませるため、捩じりが発生するとか、大トルクには適用し辛い、３０未満の減速比にすることが、困難などの難点が有る。
シザースギアには、小型の物に適応し辛い、バネの劣化や破損といった問題が有る。
特許文献1では、弾性により捩じり力を発生させているため、復元力をどのように制御するかという問題が有る。更にその弾性力は、弾性体の物性に依存しており、材料のバラツキ、温度変化、経時変化などを考慮すれば、安定して性能を確保する事は至難である。
本発明は上記問題を改善し、簡便な構造で小型化可能で製造コストも安いバックラッシュレス遊星歯車を提供するものである。

太陽歯車（歯数 Ｚ１）とその周囲に複数個の遊星歯車（歯数 Ｚ２）、更にその外周に固定内歯車（歯数 Ｚ３）、及び各遊星歯車を自転・公転可能に支持しているキャリアを有する従来の遊星歯車装置に対し適用させた。
太陽歯車を停止後、固定した際に、下記の遊星歯車を共存させた。
時計側死点遊星歯車：太陽歯車の反時計側伝達面（太陽歯車を反時計側に回転さ
せた際に動力を伝達する面）と固定歯車の時計側強制面（遊星歯車の時計側公転を抑制する面）に接している。
反時計側死点遊星歯車：太陽歯車の時計側伝達面（太陽歯車を時計側に回転させた際
に動力を伝達する面）と固定歯車の反時計側強制面（遊星
歯車の反時計側公転を抑制する面）に接している。

概略を図１に示す。
太陽歯車７に入力回転を与え、各遊星歯車を支持しているキャリアから出力させるプラネタリ型である。入力回転停止後、サーボモータやステッピングモータの作用により、太陽歯車7を固定する。
この図における３時位置の遊星歯車Ｂが反時計側死点遊星歯車となる。この状態では、キャリアに外力を作用させ、遊星歯車を時計方向に公転させる事はできる。しかし遊星歯車Ｂを反時計方向に回そうとしても、固定された太陽歯車７と内歯車６が障害となり回せない。
一方、９時位置の遊星歯車Ｄが時計側死点遊星歯車となる。この状態では、キャリアに外力を作用させ、遊星歯車Ｄを反時計方向に公転させる事はできる。しかし遊星歯車Ｄを時計方向に回そうとしても、固定された太陽歯車７と内歯車６が障害となり回せない。
時計側死点遊星歯車と反時計側死点遊星歯車を、同時に共存させる事で、両者を支持しているキャリアは、時計方向にも、反時計方向にも回転不能になる。即ち、個々の歯車間には、バックラッシュが有るにも拘わらず、遊星歯車装置全体としては、０バックラッシュ状態を作り出す事ができる。
プラネタリ型で説明したが、ソーラ型やスター型であっても、同様の効果が得られる。
以上から、請求項１を得る。

各遊星歯車を、太陽歯車、内歯車とその様な面で噛合せるためには、遊星歯車歯数が奇数であれば良い。
これまでは、太陽歯車歯数、内歯車歯数は、遊星歯車個数の整数倍が採られる事がほとんどであった。その場合、太陽歯車７と内歯車６は、時計側か反時計側のどちらか一方の面にしか噛み合わない。
両方の死点遊星歯車を作り、かつ遊星歯車として成立させるためには、
Ｚ１は遊星歯車個数×自然数でなない
Ｚ３は遊星歯車個数×自然数でなはい
である事が必要である。
従来のバックラッシュ低減方法は、高精度の加工が要求される物が多かった。本方法では、
低精度でも、歯数設定により必然的に意図する噛み合い面での接触が得られ、目的を達成する事ができる。

太陽歯車（歯数 Ｚ１）とその周囲に複数個の遊星歯車（歯数 Ｚ２）、更にその外周に
回転不能な固定内歯車（歯数 Ｚ３）、及び回転可能な出力内歯車（歯数 Ｚ４）、及び各遊星歯車を自転・公転可能に支持しているキャリアを有するいわゆる３Ｋ型不思議遊星歯車装置においては、以下のようにする。
太陽歯車を停止後、固定した際に、下記の遊星歯車を共存させる。
反時計側死点遊星歯車：太陽歯車の反時計側伝達面（太陽歯車を反時計側に回転さ
せた際に動力を伝達する面）と固定内歯車の時計側強制面（遊星
歯車の時計側公転を抑制する面）と出力内歯車の時計側伝達
面（出力歯車に時計側回転を伝達する面）に接している。
時計側死点遊星歯車：太陽歯車の時計側伝達面（太陽歯車を時計側に回転させた際
に動力を伝達する面）と固定歯車の反時計側強制面（遊星
歯車の反時計側公転を抑制する面）出力内歯車の反時計側伝達
面（出力歯車に反時計側回転を伝達する面）に接している。
これが請求項３である。

固定側においては、構造や動作原理は普通の遊星歯車装置のプラネタリ型と変わりはないため、請求項１で採った方法をそのまま使えば良い。
そこで図１に対応する出力側として、Ｚ４＝Ｚ３−４（遊星歯車個数）＝２３を考える（図２）。
あるいは、Ｚ４＝Ｚ３＋遊星歯車個数としても良い。この様な歯数設定により、バックラッシュ低減条件と不思議遊星歯車の成立条件を両方満たす。

固定側の作用により、キャリアはどちらにも回転させることはできない。また図２中の
３時位置、９時位置の遊星歯車Ｂと遊星歯車Ｄは、自転もできないのは、一目瞭然である。
即ちこれらの歯車はロックされた状態で、出力内歯車１１と噛み合っている。この状態で、出力内歯車１１を時計方向に回そうとしても、３時位置の遊星歯車Ｂが障害となり、回せない。
反時計方向に回そうとすれば、９時位置の遊星歯車Ｄが障害になり、回せない。
出力内歯車１１は０バックラッシュ状態になる。
この場合、請求項１のキャリア出力時と異なり、３時位置の歯車が時計側死点遊星歯車、
9時位置の歯車が反時計側死点遊星歯車である。

歯車部だけでなく、キャリアと遊星歯車を自転させるための軸間でも、バックラッシュが発生する事が有る。１つの方法として、軸受を弾性変形させる事により、隙間を無くす事が有る。これが請求項３である。

もう１つの方法として、遊星歯車を自転させるための軸受とキャリアの穴部との間に弾性変形可能な部材を介する事が有る。これが請求項４である。
しかし請求項３、４とも、出力部に大きな力を加えれば、弾性変形によるずれが発生するので、完全な方法ではない。

歯車動作中には摩擦による発熱が発生する。また長期間使用により、摩耗も生じる。これらが有っても、意図する面に噛み合っていれば、バックラッシュ低減効果が無くなる事は無い。しかし停止位置が設計値から、ずれる事は起きる。歯形をインボリュート曲線ではなく、摩擦の小さいコルヌ曲線とする事で抑制する。これが請求項５である。

太陽歯車の位相角を図３の様に定義する。０〜１８０度が時計側伝達面、１８０度〜３６０度が
反時計側伝達面である。
内歯車の位相角を図４の様に定義する。正方向の向きが、太陽歯車の場合と異なるのは、太陽歯車を時計方向に入力回転させた時に、噛み合っていく面の方向を考慮したからである。遊星歯車歯数が奇数の場合には、太陽歯車と内歯車の位相角は、１８０度ずれる。３Ｋ型不思議遊星歯車では、固定されている内歯車と同じ位相角に出力内歯車が誘導されていくと考えられ、両者の位相角は同じである。０〜１８０度が固定された内歯車の時計側強制面、出力内歯車の反時計側伝達面、１８０度〜３６０度が固定された内歯車の反時計側強制面、出力内歯車の時計側伝達面である。

請求項１により、個々の歯車間には、円滑動作するために必要なバックラッシュが有りながらも、遊星歯車装置全体ではバックラッシュレス状態を発生させる事ができる。
極めて簡単な構造・原理であるために、小型化にも適し、製造原価も安くて済み、故障等のトラブルリスクも少ない。
従来、大きなバックラッシュが必要であったプラスチック歯車においても、低バックラッシュが可能である。

請求項２により、３Ｋ型不思議遊星歯車装置に対し、バックラッシュ低減が可能になる。
３Ｋ型不思議遊星歯車は、大トルクや高分解能が得られる機構であるが、請求項１のキャリア出力型に比べ、キャリア・遊星軸間のガタの影響が軽減されるため、より高い停止精度が可能である。

請求項３、４により、キャリア・遊星軸間のガタの影響が軽減される。

請求項５により、コルヌ歯型の特徴により、摩耗や発熱の悪影響が少なく、より設計値に近い停止位置を得る事ができる。

（実施例１）歯車は、以下のように選択した。図１に示されている。
歯型 コルヌ曲線
太陽歯車 歯数 ９
遊星歯車 歯数 ９
固定内歯車 歯数 ２７
遊星歯車個数 ４
減速比は４である。

太陽歯車７が遊星歯車Ａと噛み合っている部分の位相角をＸとする。各部の位相角は、以下の様に成る。
遊星歯車Ａ 遊星歯車Ｂ 遊星歯車Ｃ 遊星歯車Ｄ
太陽歯車 Ｘ Ｘ+２７０ Ｘ＋１８０ Ｘ＋９０
固定内歯車 Ｘ＋１８０ Ｘ＋９０ Ｘ Ｘ＋２７０
即ち、各遊星歯車は、どちらかの死点遊星歯車か、山や谷の付近に有って、噛み合っていない歯車になるしかない。
また、全遊星歯車を噛み合っていない歯車にするのも、数値的に無理である。
そして、遊星歯車Ａ、Ｃや遊星歯車Ｂ、Ｄの様に、対向する歯車は、一方が時計側死点遊星歯車になれば、他方は反時計側死点遊星歯車となる。
以上から、両死点遊星歯車は、常に存在する。
このケースでは、Ｚ１＝遊星歯車個数×ｎ＋１であったが、Ｚ１＝遊星歯車個数×ｎ−１の場合でも、同様に成り立つ。

遊星軸部の状態を図６に示す。樹脂軸受は、商品名ルーロンが用いられ、遊星軸だけでなく、キャリア穴部とも圧入されている。

（実施例２）歯車は、以下のように選択した。（図５）
歯型 コルヌ曲線
太陽歯車 歯数 １０
遊星歯車 歯数 １７
内歯車 歯数 ４４
遊星歯車個数 ３３

太陽歯車の各噛み合い位置の位相角は、以下で表される。
遊星歯車Ｅ 遊星歯車Ｆ 遊星歯車Ｇ
Ｘ Ｘ＋２４０ Ｘ+１２０
全て、時計側だとすれば、以下が成り立つが、その様なＸは存在しない。従って、全て時計側に来る事はない。
０＜Ｘ＜１８０
０＜Ｘ＋２４０＜１８０ または ３６０＜Ｘ＋２４０＜５４０
０＜Ｘ＋１２０＜１８０ または ３６０＜Ｘ＋１２０＜５４０
同様にして、全て反時計側に来ることも無い。
また何れかが、山（１８０度）付近か、谷（０度）付近にあったとすれば、他の歯車は、
１２０度及び−１２０度ずれた位相角である。
即ち時計、反時計の両面と噛み合っている。
以上から、両死点遊星歯車は、常に存在する。
この場合は、Ｚ１＝3ｎ＋１（ｎは自然数）の関係であったが、Ｚ１＝３ｎ＋２ であっても同様に成り立つ。遊星歯車の配置が変わっただけだからである。

遊星軸部の状態を図７に示す。遊星軸１５は、キャリアＡ、キャリアＢとカシメ状態にあり、回転しない。またスペーサの機能も有している。弾性体軸受は樹脂製の物が用いられ、隙間無く圧入されている。
減速比は５．４で、１回転２００パルスのステッピングモータと接続する事で出力角１度当たり３パルスとなり、全整数角に対応できる。
工作機械などに適する。

（実施例３ ）歯車は、以下のように選択した。
太陽歯車７ 歯数 １１
遊星歯車 歯数 ２９
内歯車 歯数 ６７
出力内歯車 歯数 ７０
遊星歯車個数 ３
減速比は、１８４．６である。
高い停止精度と大トルク若しくは高分解能が得られる。
遊星軸部の状態を図８に示す。金属軸受が用いられ、キャリア穴部との隙間は、弾性部材で埋められている。弾性部材は、シリコン接着剤を用いた。

実施例１の状態を示す図である。 実施例１を固定側とした時の３ｋ型不思議遊星歯車の出力側を示す図である。 太陽歯車の位相角を示す図である。 内歯車の位相角を示す図である。 実施例２の状態図である。 実施例１の遊星軸部を示す図である。 実施例２の遊星軸部を示す図である。 実施例３の遊星軸部を示す図である。 遊星歯車装置全体を示す図である。 ３Ｋ型不思議遊星歯車全体を示す図である。

１ 遊星歯車装置
２ 遊星歯車Ａ
３ 遊星歯車Ｂ
４ 遊星歯車Ｃ
５ 遊星歯車Ｄ
６ 内歯車
７ 太陽歯車
８ スペーサ
９ カミアイ点
１０ ３Ｋ型不思議遊星歯車装置
１１ 出力内歯車
１２ 遊星歯車Ｅ
１３ 遊星歯車Ｆ
１４ 遊星歯車Ｇ
１５ 遊星軸
１６ 弾性体軸受
１７ キャリアＡ
１８ キャリアＢ
１９ 弾性体軸受
２０ 遊星軸部
２１ 軸受
２２ ケースＡ
２３ ケースＢ
２４ モータ
２５ モータ出力軸

Claims (5)

1. 太陽歯車（歯数 Ｚ１）とその周囲に複数個の遊星歯車（歯数 Ｚ２）、更にその外周に内歯車（歯数 Ｚ３）、及び各遊星歯車を自転または公転可能に支持しているキャリアを有するとともに、太陽歯車ないし内歯車を停止後、固定した際に、下記の遊星歯車を共存させた事を特徴とする遊星歯車装置。
   時計側死点遊星歯車：出力部を反時計側に回すのには支障は無いが、出力部を時計側に
   回す際は、固定されている歯車が障害に成り、回せない。
   反時計側死点遊星歯車：出力部を時計側に回すのには支障は無いが、出力部を時計側に
   回す際は、固定されている歯車が障害に成り、回せない。
2. 太陽歯車（歯数 Ｚ１）とその周囲に複数個の遊星歯車（歯数 Ｚ２）、更にその外周に
   回転不能な固定内歯車（歯数 Ｚ３）、及び回転可能な出力内歯車（歯数 Ｚ４）、及び各遊星歯車を自転・公転可能に支持しているキャリアを有するとともに、太陽歯車を停止後、固定した際に、下記の遊星歯車を共存させた事を特徴とする３Ｋ型不思議遊星歯車装置。
   反時計側死点遊星歯車：太陽歯車の反時計側伝達面（太陽歯車を反時計側に回転さ
   せた際に動力を伝達する面）と固定内歯車の時計側強制面（遊星
   歯車の時計側公転を抑制する面）と出力内歯車の時計側伝達
   面（出力歯車に時計側回転を伝達する面）に接している。
   時計側死点遊星歯車：太陽歯車の時計側伝達面（太陽歯車を時計側に回転させた際
   に動力を伝達する面）と固定歯車の反時計側強制面（遊星
   歯車の反時計側公転を抑制する面）出力内歯車の反時計側伝達
   面（出力歯車に反時計側回転を伝達する面）に接している。
3. 遊星歯車を自転させるための軸受を弾性変形させたことを特徴とする請求項１、２記載の遊星歯車装置。
4. 遊星歯車を自転させるための軸受とキャリアの穴部との間に弾性変形可能な部材を介したことを特徴とする請求項１，２記載の遊星歯車装置。
5. 歯形をコルヌ曲線とする事を特徴とする請求項１，２記載の遊星歯車装置。

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