JP4759607B2 - ロータリー減速機 - Google Patents

Description

本発明は、低減速比、例えば、１／１０以下の低減速比を実現可能なバックラッシレスのロータリー減速機に関する。

産業機器に使用されている減速機には歯車式減速機をはじめ転動ボール式減速機、サイクロ減速機（住友重機械工業株式会社の登録商標）およびハーモニックドライブ減速機（株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズの登録商標）などが知られている。例えば、サイクロ減速機は特許文献１（特開２００３−２７８８４９号公報）に開示されている。

一般に、歯車式減速機は、歯車にインボリュート歯形を使用しているので、歯車の接触点で滑りが生ずる。そのためバックラッシを除去すると、歯面の早期摩耗、回転伝達効率の低下という問題が生ずる。転動ボール式減速機は、エピサイクロイド曲線とハイポサイクロイド曲線が向かい合う形状の案内溝内をボールが転動して減速回転を取り出す機構であるが、加工が複雑で精度が必要であり、ボールの転動量が多く、摩耗が発生しやすいという問題点がある。サイクロ減速機はピンを固定し、遊星歯車としてのトロコイドギヤを偏心回転させて、トロコイドギヤ内に等角度に配置されている内ピン孔および内ピンにてトロコイドギヤの自転だけを取り出して減速回転を得る機構である。内ピン孔と内ピンの間には機構上、偏心量の２倍の隙間を設ける必要があり、バックラッシを除去することが困難である。ハーモニックドライブ減速機は構成部品点数が少なく角度伝達精度も高いが、構造上１／５０未満の低減速比を実現することが困難である。
特開２００３−２７８８４９号公報

ここで、低減速比で、バックラッシレスの減速機に対する要求がある。歯車式減速機は、バックラッシレスを実現しようとすると、歯面の早期摩耗、回転伝達効率の低下という問題が発生する。転動ボール式減速機は、複雑な加工が必要であり、バックラッシレスにするためには高い加工精度が要求されるので、コスト高などの問題が生ずる。サイクロ減速機はバックラッシレスを実現することが困難である。さらに、ハーモニックドライブ減速機は低減速比、例えば１／１０以下のものを実現することが困難である。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、低減速比で、バックラッシの無いシンプルな構造のロータリー減速機を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のロータリー減速機は、
回転入力軸と、
この回転入力軸の回転に伴って、当該回転入力軸の回転中心軸線を中心として偏心回転する偏心回転軸と、
自転運動不可の状態に支持されていると共に、前記偏心回転軸の偏心回転に伴って前記回転中心軸線を中心として公転運動を行う偏心板と、
前記偏心板における前記回転中心軸線方向の一方の端面に、同一円上に等角度間隔に取り付けられ、前記回転中心軸線の方向に延びている円筒状の回転自在なカムフォロワと、
各カムフォロワに同時に噛み合い可能なエピトロコイド曲線によって歯形輪郭が規定されていると共に前記カムフォロワの本数よりも少ない歯数の外歯を備え、前記回転中心軸線を中心として回転可能なトロコイドギヤと、
前記トロコイドギヤに同軸状態に取り付けた回転出力軸と、
前記カムフォロワおよび前記トロコイドギヤを相対的に押し付ける方向にスラスト力を付与している与圧機構とを有し、
各カムフォロワの円形外周面は、前記トロコイドギヤに向かって外径が漸減するテーパー状円形外周面であり、
前記トロコイドギヤの歯面は、前記カムフォロワの前記テーパー状円形外周面に線接触可能なテーパー状歯面であることを特徴としている。

本発明のロータリー減速機では、カムフォロワとトロコイドギヤの接触点が転がり接触であるのでバックラッシを除去でき、また、接触部分の摩耗が少なく、回転伝達効率も高い。また、精度の要求される複雑な加工部品はトロコイドギヤの歯面のみなので、容易かつ廉価に製造できる。さらに、カムフォロワを公転運動させて、トロコイドギヤから直接に減速回転を得るようにしているのでバックラッシを除去することが容易である。さらには、理論上、１／２の低減速比を実現することができ、多段化することにより、例えば１／１０００以上の高減速比も実現可能である。

特に、本発明では、カムフォロワの円形外周面およびトロコイドギヤの歯面をテーパー面とし、与圧機構によって、これらが確実に線接触状態となるようにスラスト力を付与している。したがって、これらの間の噛み合い（接触）が確保され、バックラッシの無い回転伝達効率の高い減速機を実現できる。

ここで、本発明では、前記偏心板を前記偏心回転軸の円形外周面に、回転自在の状態に支持し、オルダム機構によって、前記偏心板を自転運動不可の状態に支持している。オルダム機構は、前記偏心板を、第１の転動体を介して、前記回転中心軸線に直交する第１方向に移動可能な状態で支持している回転規制板と、前記回転規制板を、第２の転動体を介して、前記回転中心軸線および前記第１方向に直交する第２方向に移動可能な状態で支持している固定板とを備えた構成となっている。

この場合には、前記偏心板、前記回転規制板および前記固定板を相互に押し付ける方向の押圧力を付与しているオルダム与圧機構を配置して、これらの部材のガタ付きに起因する回転伝達効率の低下などを防止することが望ましい。

また、本発明のロータリー減速機は、
筒状の減速機ハウジングを有し、
前記減速機ハウジングの後端に、筒状の前記固定板が同軸状態に連結固定されており、
前記回転出力軸は、前記減速機ハウジング内に位置している後側軸部分と、前記減速機ハウジングの前端から前方に突出している先端側軸部分とを備えており、
前記後側軸部分は、出力側軸受けを介して、前記減速機ハウジングに回転自在の状態で支持されており、
前記後側軸部分の後端部には同軸状態で前記トロコイドギヤが取り付けられており、
前記回転入力軸は後側から前記固定板を貫通して前記減速機ハウジング内に延びており、
当該回転入力軸は、入力側後軸受けを介して、前記固定板によって回転自在の状態に支持されていると共に、当該回転入力軸の先端部は、入力側前軸受けを介して、前記回転出力軸の後端部によって回転自在の状態に支持されており、
前記回転入力軸の外周面に前記偏心回転軸が一体形成されている構成とすることができる。

この場合には、前記与圧機構として、前記減速機ハウジングの前端部開口にねじ込み固定され、前記出力側軸受けの外輪にスラスト力を与えている与圧ナットを用いることができる。与圧ナットのねじ込み量を調整して、適切なスラスト力を与えることができる。

また、前記オルダム与圧機構として、前記回転入力軸における、前記後側軸受けの内輪の後側の部位に固定したカラーと、これら内輪およびカラーの間に挿入したシム板とを用いることができる。シム板の厚さを調整することにより、オルダム機構をガタ付きのない適切な状態に維持できる。

本発明のロータリー減速機では、同一円上に等角度間隔に配置した円筒状のカムフォロワを回転中心軸線回りに公転運動させ、これらが噛み合っている（接触している）トロコイドギヤから直接に減速回転を取り出すようにしている。また、カムフォロワの外周面およびトロコイドギヤの歯面をテーパー面として、与圧機構によって、これらの面が確実に線接触状態となるようにスラスト力を付与している。したがって、本発明によれば、低減速比で、バックラッシが無く、しかも、簡単な構造の減速機を実現できる。

以下に、図面を参照して本発明を適用したロータリー減速機の実施の形態を説明する。

（全体構成）
図１（ａ）は本実施の形態に係るロータリー減速機を備えたロータリーアクチュエータの先端面を示す端面図であり、図１（ｂ）はその側面図であり、ロータリー減速機の部分をＡ−Ａ線で切断した断面で示してある。図２はロータリーアクチュエータにおけるロータリー減速機の内部構成を示すために一部を切り欠いて示す斜視図であり、図３はカムフォロワとトロコイドギヤの配置関係を示す説明図である。

ロータリーアクチュエータ１は、モーター２と、このモーター２の前端の取付フランジ３に同軸状態に連結固定したロータリー減速機４とを有している。

ロータリー減速機４は筒状の減速機ハウジング１１を備えており、この減速機ハウジング１１の後端には同軸状態に筒状の固定板１２が連結固定されている。減速機ハウジング１１および固定板１２の内部には、その後側に回転入力軸１３が同軸状態に配置され、その前側には回転出力軸１４が同軸状態に配置されており、回転出力軸１４は減速機ハウジング１１の前端から前方に突出している。回転入力軸１３にはモーター出力軸１５が同軸状態に連結固定されている。

減速機ハウジング１１内において、回転入力軸１３の先端部には、その回転中心軸線１ａに対して所定量だけ偏心した偏心軸部１６が一体形成されている。この偏心軸部１６の円形外周面には軸受け１７を介して一定厚さの偏心板１８が回転自在の状態で支持されている。偏心板１８は、オルダム機構１９を介して、自転運動不可の状態で、固定板１２によって支持されており、偏心軸部１６の回転に伴って、回転中心軸線１ａを中心として偏心量に対応する半径で公転運動を行う。

偏心板１８の前側の端面には、同一円上において等角度間隔に複数本、例えば１０本の円筒状のカムフォロワ２０（２０（０）〜２０（９））が配置されている（図３参照）。各カムフォロワ２０は、偏心板１８の端面から回転中心軸線１ａの方向に突出している軸２１を中心として回転自在の状態に支持されている。これらのカムフォロワ２０の内側にはトロコイドギヤ２２が配置されている。トロコイドギヤ２２は、回転出力軸１４の後端に一体形成されており、その外歯歯形輪郭は各カムフォロワ２０に同時に噛み合い可能（接触可能）なトロコイド曲線によって規定されている。本例のトロコイドギヤ２２の歯数はカムフォロワ２０よりも「１」少ない「９」としてある（図３においては各歯をＡ〜Ｉで示してある）。

ここで、カムフォロワ２０とトロコイドギヤ２２の接触状態が、与圧ナット２３からなる与圧機構によって付与されるスラスト力によって確保されている。また、オルダム機構１９における回転中心軸線１ａの方向のガタツキは、回転入力軸１３の後端部に取り付けたセットカラー２４およびシム板２５からなるオルダム与圧機構によって防止されている。

（各部の構成）
次に、ロータリー減速機４の各部の構造を説明する。まず、減速機ハウジング１１は、円筒状の前半部分１１ａと、外周面が矩形形状の後半部分１１ｂとを備えており、後半部分１１ｂの後端に、同一外周面形状の固定板１２が固定されている。固定板１２の中心部に形成した円形穴の内周面には入力側後軸受け２６を介して円筒状の回転入力軸１３が回転自在の状態で支持されている。回転入力軸１３の先端部は、回転出力軸１４の後端面に形成した凹部内周面に取り付けた入力側前軸受け２７によって回転自在の状態で支持されている。

固定板１２と偏心板１８の間に配置されているオルダム機構１９は、これらの間に配置されているリング状の回転規制板３０を備えている。回転規制板３０の後側端面と、これに対峙している固定板１２の前側端面には、相互に対峙する部位に、回転中心軸線１ａに直交する方向に延びる一定長さの１条あるいは複数条の案内溝３０ａ、１２ａが形成されている。これらの案内溝３０ａ、１２ａには、鋼球、円筒コロなどの転動体３１が転動自在の状態で収納されている。

同様に、回転規制板３０の前側端面と、これに対峙している偏心板１８の後側端面には、それらの対峙する部位に、回転中心軸線１ａおよび案内溝３０ａ、１２ａに対して直交する方向に延びる一定長さの１条あるいは複数条の案内溝３０ｂ、１８ａが形成されている。これらの案内溝３０ｂ、１８ａには、鋼球、円筒コロなどの転動体３２が転動自在の状態で収納されている。ここで、回転規制板３０の後側の案内溝３０ａ、１２ａの方向と、その前側の案内溝３０ｂ、１８ａの方向とは、相互に直交する方向となるように設定されている。

このように、偏心板１８を半径方向に一定量だけ移動可能に支持しているオルダム機構１９が構成されている。回転入力軸１３の回転に伴ってその先端の偏心軸部１６が偏心回転すると、オルダム機構１９によって支持されている偏心板１８は自転運動が阻止され、回転中心軸線１ａを中心として、偏心量に対応する半径で公転運動を行う。

ここで、回転入力軸１３における固定板１２に取り付けた入力側後軸受け２６から後方に突出している後端部外周面に、オルダム与圧機構のセットカラー２４が固定されている。このセットカラー２４と、入力側後軸受け２６の内輪２６ａとの間に、一定厚さのリング状のシム板２５が挿入されている。挿入するシム板２５の厚さを厚くすることにより、偏心板１８が相対的に後方に引き寄せられ、偏心板１８、回転規制板３０および固定板１２が相互に押し付けられる。これにより、これらの間に配置されている転動体と案内溝の隙間に起因する回転伝達誤差およびバックラッシを抑制できる。なお、セットカラー２４とシム板２５の代わりに、回転入力軸１３の外周面にねじ込む与圧ナットによって入力側後軸受け２６の内輪２６ａをスライド方向に付勢してもよい。

次に、偏心板１８の前側端面に回転自在の状態で取り付けられている各カムフォロワ２０は、前方（出力側）、すなわちトロコイドギヤ２２に向けて、外径が漸減するテーパー状円筒面２０ａを備えている。同様に、トロコイドギヤ２２の外歯の歯面２２ａは、後方（入力側）、すなわちカムフォロワ２０に向けて外径が漸減するテーパー面となっており、カムフォロワ２０のテーパー状円形外周面２０ａに線接触可能となっている。

トロコイドギヤ２２が後端に一体形成されている回転出力軸１４は、トロコイドギヤ２２よりも一回り小さな外径の後側軸部分１４ａと、この前側に形成されている一回り小径の中間軸部分１４ｂと、この前側に形成されている先端側軸部分１４ｃとを備えている。後側軸部分１４ａおよび先端側軸部分１４ｃの後端部分は、減速機ハウジング１１の内周面に取り付けた出力側後軸受け３３および出力側前軸受け３４によって回転自在の状態に支持されている。

ここで、減速機ハウジング１１の前端部開口には前方から与圧ナット２３がねじ込み固定されている。与圧ナット２３は外周面に雄ねじが切られており、減速機ハウジング１１の前端部開口の内周面には雄ねじに螺合可能な雌ねじが切られている。与圧ナット２３をねじ込むと、与圧ナット２３が出力側前軸受け３３の外輪３３ａに押し当り、当該軸受け３３を介して、回転出力軸１４には後方に向かうスラスト力が付与される。この結果、回転出力軸１４の後端に一体形成されているトロコイドギヤ２２のテーパー状歯面２２ａが、各カムフォロワ２０のテーパー状外周面２２ａに押し付けられて、これらの間の接触状態が確保され、バックラッシの無い噛み合い状態を形成できる。

なお、与圧ナットの代わりに、シム板を用いてスラスト力を付与するようにしてもよい。例えば、回転出力軸１４が円盤状のフランジタイプの場合には、出力フランジと軸受けの間に所定厚さのシム板を挟み、スラスト力を調整することができる。

（減速回転運動）
ロータリーアクチュエータ１のモーター２を駆動すると、その出力軸１５に連結されている回転入力軸１３が回転し、その前端部の偏心軸部１６によって偏心板１８が回転中心軸線１ａの回りに公転運動を行う。本例では、偏心板１８が公転運動（偏心回転）を１回行うと、カムフォロワ２０は、その本数と、トロコイドギヤ２２の歯数との差分、すなわち、１歯分だけ揺動する。カムフォロワ２０に噛み合っている（接触している）トロコイドギヤ２２は、回転入力軸１３の回転方向とは逆方向に回転中心軸線１ａを中心として１歯分回転する。よって、トロコイドギヤ２２が一体形成されている回転出力軸１４は、入力回転軸１３とは逆方向に、入力回転数の１／９の減速比で回転する。また、与圧ナット２３からなる与圧機構、および、セットカラー２４およびシム板２５からなるオルダム与圧機構１９によって、転がり接触部分のバックラッシを除去できるので、回転伝達誤差を低減できる。

（ａ）は本発明を適用したロータリー減速機を備えたロータリーアクチュエータの先端面を示す端面図であり、（ｂ）はその側面図であり、ロータリー減速機の部分をＡ−Ａ線で切断した断面で示してある。 図１のロータリーアクチュエータにおけるロータリー減速機の内部構成を示すために一部を切り欠いて示す斜視図である。 ロータリー減速機のカムフォロワとトロコイドギヤの関係を示す説明図である。

符号の説明

１ ロータリーアクチュエータ
１ａ 回転中心軸線
２ モーター
３ 取付フランジ
４ ロータリー減速機
１１ 減速機ハウジング
１２ 固定板
１３ 回転入力軸
１４ 回転出力軸
１５ モーター出力軸
１６ 偏心軸部
１７ 軸受け
１８ 偏心板
１９ オルダム機構
２０ カムフォロワ
２０ａ テーパー状円形外周面
２２ トロコイドギヤ
２２ａ テーパー状歯面
２３ 与圧ナット
２４ セットカラー
２５ シム板
２６ 入力側後軸受け
２６ａ 内輪
２７ 入力側前軸受け
３０ 回転規制板
３１、３２ 転動体
３３、３４ 出力側軸受け
３４ａ 外輪

Claims (5)

1. 回転入力軸（１３）と、
   この回転入力軸（１３）の回転に伴って、当該回転入力軸（１３）の回転中心軸線（１ａ）を中心として偏心回転する偏心回転軸（１６）と、
   自転運動不可の状態に支持されていると共に、前記偏心回転軸（１６）の偏心回転に伴って前記回転中心軸線（１ａ）を中心として公転運動を行う偏心板（１８）と、
   前記偏心板（１８）における前記回転中心軸線（１ａ）の方向の一方の端面に、同一円上に等角度間隔に取り付けられ、前記回転中心軸線（１ａ）の方向に延びている円筒状の回転自在なカムフォロワ（２０）と、
   各カムフォロワ（２０）に同時に噛み合い可能なエピトロコイド曲線によって歯形輪郭が規定されていると共に前記カムフォロワ（２０）の本数よりも少ない歯数の外歯を備え、前記回転中心軸線（１ａ）を中心として回転可能なトロコイドギヤ（２２）と、
   前記トロコイドギヤ（２２）に同軸状態に取り付けた回転出力軸（１４）と、
   前記カムフォロワ（２０）および前記トロコイドギヤ（２２）を相対的に押し付ける方向にスラスト力を付与している与圧機構（２３）とを有し、
   各カムフォロワ（２０）の円形外周面は、前記トロコイドギヤ（２２）に向かって外径が漸減するテーパー状円形外周面（２０ａ）であり、
   前記トロコイドギヤ（２２）の歯面は、前記カムフォロワ（２０）の前記テーパー状円形外周面（２０ａ）に線接触可能なテーパー状歯面（２２ａ）であり、
   前記偏心板（１８）は、前記偏心回転軸（１６）の円形外周面に、回転自在の状態で支持されており、
   前記偏心板（１８）を自転運動不可の状態に支持しているオルダム機構（１９）を有しており、
   このオルダム機構（１９）は、
   前記偏心板（１８）を、第１の転動体（３２）を介して、前記回転中心軸線（１ａ）に直交する第１方向に移動可能な状態で支持している回転規制板（３０）と、
   前記回転規制板（３０）を、第２の転動体（３１）を介して、前記回転中心軸線（１ａ）および前記第１方向とは直交する第２方向に移動可能な状態で支持している固定板（１２）とを備えていることを特徴とするロータリー減速機（４）。
2. 請求項１に記載のロータリー減速機（４）において、
   前記偏心板（１８）、前記回転規制板（３０）および前記固定板（１２）を相互に押し付ける方向の押圧力を付与しているオルダム与圧機構（２４、２５）を有していることを特徴とするロータリー減速機（４）。
3. 請求項２に記載のロータリー減速機（４）において、
   筒状の減速機ハウジング（１１）を有し、
   前記減速機ハウジング（１１）の後端に、筒状の前記固定板（１２）が同軸状態に連結固定されており、
   前記回転出力軸（１４）は、前記減速機ハウジング（１１）内に位置している後側軸部分（１４ａ、１４ｂ）と、前記減速機ハウジング（１１）の前端から前方に突出している先端側軸部分（１４ｃ）とを備えており、
   前記後側軸部分（１４ａ、１４ｂ）は、出力側軸受け（３３、３４）を介して、前記減速機ハウジング（１１）に回転自在の状態で支持されており、
   前記後側軸部分（１４ａ）の後端部には同軸状態で前記トロコイドギヤ（２２）が取り付けられており、
   前記回転入力軸（１３）は後側から前記固定板（１２）を貫通して前記減速機ハウジング（１１）内に延びており、
   当該回転入力軸（１３）は、入力側後軸受け（２６）を介して、前記固定板（１２）によって回転自在の状態に支持されていると共に、当該回転入力軸（１３）の先端部は、入力側前軸受け（２７）を介して、前記回転出力軸（１４）の後端部によって回転自在の状態に支持されており、
   前記回転入力軸（１３）の外周面に前記偏心回転軸（１６）が一体形成されていることを特徴とするロータリー減速機（４）。
4. 請求項３に記載のロータリー減速機（４）において、
   前記与圧機構は、前記減速機ハウジング（１１）の前端部開口にねじ込み固定され、前記出力側軸受け（３４）の外輪（３４ａ）にスラスト力を与えている与圧ナット（２３）を備えていることを特徴とするロータリー減速機（４）。
5. 請求項４に記載のロータリー減速機（４）において、
   前記オルダム与圧機構は、
   前記回転入力軸（１３）における、前記入力側後軸受け（２６）の内輪（２６ａ）の後側の部位に固定したカラー（２４）と、これら内輪（２６ａ）およびカラー（２４）の間に挿入したシム板（２５）とを備えていることを特徴とするロータリー減速機（４）。

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