(57)【要約】  平行でない軸に動力を伝動できる、軽量で、バックラッシがなく、耐久性の高い機構を実現する。また、軽量で、バックラッシがなく、耐久性の高い直交軸差動機構を備えたロボットを実現する。  円錐形のプーリと扇形のベルトを備える。複数の円錐プーリを仮想円錐面の頂点が一致し、仮想円錐面が接するように配置する。これを用いて直交軸差動機構とし、ロボットを構成する。
2011049013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のプーリと、
前記プーリをそれぞれ回転可能に支持する支持シャフトと、
複数の前記プーリのうちのいずれかに入力された動力を回転軸が平行でない他のいずれかの前記プーリに伝える伝動媒体と、を有し、
前記伝動媒体は、
平面に展開した形状が扇形である扇ベルトとなっており、
前記プーリは前記扇ベルトとの接触面に仮想円錐面を設定して前記仮想円錐面から前記扇ベルトの表面形状を差し引いた形状である円錐プーリとなっており、
前記円錐プーリの回転軸は前記仮想円錐面がなす円錐の中心線となっており、
複数の前記円錐プーリのうちの少なくとも２個はそれぞれの前記仮想円錐面の頂点の位置が一致するように配置されている
ことを特徴とする非平行軸伝動機構。
【請求項２】
複数の前記円錐プーリのうちの少なくとも２個はそれぞれの前記仮想円錐面が接するように配置されており、前記扇ベルトは隣接する２個の前記円錐プーリの前記仮想円錐面の接線を境に表裏が逆の面で２個の前記円錐プーリと接している
ことを特徴とする請求項１記載の非平行軸伝動機構。
【請求項３】
前記扇ベルトは断面がＶ形または台形の突起を少なくとも１つ備えたＶベルトであり、前記円錐プーリはそれに対応する溝を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の非平行軸伝動機構。
【請求項４】
前記扇ベルトのＶ形または台形の突起の形状は扇形の中心側の面とベルト面とのなす角が扇形の外側の面とベルト面とのなす角よりも小さい非対称形状である
ことを特徴とする請求項３記載の非平行軸伝動機構。
【請求項５】
前記扇ベルトはベルトの進行方向に複数の歯状突起を備えたタイミングベルトであり、前記円錐プーリはそれに対応する溝を備えたタイミングプーリである
ことを特徴とする請求項１記載の非平行軸伝動機構。
【請求項６】
前記扇ベルトのタイミングベルトの歯形状は扇形の外側ほど広くなるくさび形突起であり、前記円錐プーリはそれに対応する溝を備えた
ことを特徴とする請求項５記載の非平行軸伝動機構。
【請求項７】
複数の前記円錐プーリのうちのいずれか２個をそれぞれ円錐プーリ１および円錐プーリ２とし、前記扇ベルトは一方の端を前記円錐プーリ１に固定されかつもう一方の端を前記円錐プーリ２に固定された両端固定扇ベルトである
ことを特徴とする請求項１または２記載の非平行軸伝動機構。
【請求項８】
隣接する２個の前記円錐プーリをそれぞれ円錐プーリＡおよび円錐プーリＢとし、
前記円錐プーリＡの前記仮想円錐面と前記円錐プーリＢの前記仮想円錐面との接線を仮想円錐接線とし、
前記両端固定扇ベルトを２本備え、
一方の前記両端固定扇ベルトは前記仮想円錐面の頂点方向から見て時計回りに前記円錐プーリＡに巻き付けられ前記仮想円錐接線を境に前記仮想円錐面の頂点方向から見て反時計回りに前記円錐プーリＢに巻き付けられており、
もう一方の前記両端固定ベルトは前記仮想円錐面の頂点方向から見て反時計回りに前記円錐プーリＡに巻き付けられ前記仮想円錐接線を境に前記仮想円錐面の頂点方向から見て時計回りに前記円錐プーリＢに巻き付けられている
ことを特徴とする請求項７記載の非平行軸伝動機構。
【請求項９】
前記扇ベルトは扇形の両端を繋いで環状とした扇環状ベルトである
ことを特徴とする請求項１記載の非平行軸伝動機構。
【請求項１０】
複数の前記円錐プーリのうちの２以上の整数ｎ個の主円錐プーリと、２（ｎ−１）個の案内円錐プーリとを備え、
前記主円錐プーリおよび前記案内円錐プーリはそれぞれの前記仮想円錐面の頂点の位置が一致するように配置されており、
前記案内円錐プーリは数珠繋ぎに連結された前記主円錐プーリの間に２個ずつそれぞれ２個の前記主円錐プーリに隣接するように配置されており、
前記扇環状ベルトは内側の面で前記主円錐プーリと接しており外側の面で前記案内円錐プーリと接している
ことを特徴とする請求項１又は２記載の非平行軸伝動機構。
【請求項１１】
複数の前記円錐プーリのうちの２以上の整数ｎ個の主円錐プーリと、
２ｎ個の案内円錐プーリとを備え、
前記主円錐プーリおよび前記案内円錐プーリはそれぞれの前記仮想円錐面の頂点の位置が一致するように配置されており、
前記案内円錐プーリは環状に連結された前記主円錐プーリの間に２個ずつそれぞれ２個の前記主円錐プーリに隣接するように配置されており、
前記扇環状ベルトは内側の面で前記主円錐プーリと接しており外側の面で前記案内円錐プーリと接している
ことを特徴とする請求項１又は２記載の非平行軸伝動機構。
【請求項１２】
複数の前記円錐プーリのうちの２個の入力円錐プーリと、
１以上の整数ｎ個の主円錐プーリと、
４ｎ個の案内円錐プーリとを備え、
前記入力円錐プーリと前記主円錐プーリと前記案内円錐プーリとはそれぞれの前記仮想円錐面の頂点の位置が一致するように配置されており、
２個の前記入力円錐プーリの回転軸は同一直線上に配置され、
前記主円錐プーリの回転軸は前記入力円錐プーリの回転軸と垂直になるように配置され、
前記案内円錐プーリは前記主円錐プーリそれぞれに４つずつ接しておりかつ４つのうち２つが前記入力円錐プーリのうちの一方に接しており残り２つがもう一方の前記入力円錐プーリに接するように配置されている
ことを特徴とする請求項１０記載の非平行軸伝動機構。
【請求項１３】
前記主円錐プーリはタイミングプーリであり、
前記扇ベルトの展開中心角が主円錐プーリの歯溝ピッチの整数倍となるように前記案内円錐プーリの仮想円錐面の円錐台底面半径が設定されている
ことを特徴とする請求項１０乃至１２記載の非平行軸伝動機構。
【請求項１４】
前記案内円錐プーリをそれぞれ支持する前記支持シャフトおよび前記出力プーリを支持する前記支持シャフトを固定する支持フレームを備え、前記支持フレームは２個の前記入力円錐プーリの回転軸まわりに回転可能に支持されている
ことを特徴とする請求項１２記載の非平行軸伝動機構。
【請求項１５】
前記扇ベルトを摺動接触支持する支持部材を少なくとも１つ備え、
前記支持部材は前記扇ベルトとの接触面に仮想円錐面を設定して前記仮想円錐面から前記扇ベルトの表面形状を差し引いた形状である円錐形支持部材となっており、
前記円錐形支持部材と複数の前記円錐プーリのうちのいずれかはそれぞれの前記仮想円錐面の頂点の位置が一致しておりかつ前記仮想円錐面が接するようにするように配置されており、
前記扇ベルトは前記仮想円錐面の接線を境に表裏が逆の面で前記円錐プーリおよび前記円錐形支持部材と接している
ことを特徴とする請求項１記載の非平行軸伝動機構。
【請求項１６】
前記扇ベルトは、チェーンのリンクを平行でない回転軸まわりに回動可能に連結した扇ベルトチェーンであることを特徴とする請求項１記載の非平行軸伝動機構。
【請求項１７】
前記扇ベルトは、スチールベルトを用いたことを特徴とする請求項１記載の非平行軸伝動機構。
【請求項１８】
前記扇ベルトは穴を備えた穴付扇ベルトであり、
前記円錐プーリは前記穴と噛み合う突起を備えたスプロケット円錐プーリであることを特徴とする請求項１記載の非平行軸伝動機構。
【請求項１９】
前記スプロケット円錐プーリと隣接する前記円錐プーリのうち少なくとも１つは前記突起が前記穴付扇ベルトから突出する部分に溝を備えた溝付円錐プーリであることを特徴とする請求項１８記載の非平行軸伝動機構。
【請求項２０】
前記扇ベルトは、断面がＶ形または台形のＶ突起を少なくとも１つ備えかつ前記Ｖ突起は複数の窪みを備えたタイミング扇ベルトであり、前記円錐プーリは前記Ｖ突起に噛み合うＶ溝と前記窪みに噛み合う歯状突起を備えたことを特徴とする請求項１記載の非平行軸伝動機構。
【請求項２１】
前記タイミング扇ベルトは、弾性材料をスチールベルトに貼付けてあることを特徴とする請求項２０記載の非平行軸伝動機構。
【請求項２２】
複数のアーム材と、
前記アーム材とを旋回または回転可能に連結する関節部と、を有し、
前記関節部には、
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の非平行軸伝動機構を有している
ことを特徴とする、ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直交軸など平行でない軸に、ベルトを用いて動力を伝達する非平行軸ベルト伝動機構とそれを用いたロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
平行でない軸に動力を伝達する非平行軸伝動機構は、ロボットの関節をはじめ、多くの機械に用いられている。
非平行軸伝動機構の中でも、直交軸伝動機構が特によく用いられ、差動機構とする例もある。【０００３】
最も一般的な非平行軸伝動機構としては、傘歯車があるが、傘歯車は摩擦を抑えるためにある程度の隙間が必要であるためバックラッシが大きいことや、歯欠けが起こらないように剛性の高い材料を使用する必要があり、重量が重くなることなどが一般的な技術課題となっている。
この一般的な技術課題を解決するために、ワイヤを用いた非平行軸伝動機構が考案された（例えば、特許文献１参照）。【０００４】
ワイヤは引張り方向の力しか伝動できないため、本従来技術では、段差を設けた２個のプーリを、回転軸が直交するように配置し、２本のワイヤを逆向きに巻き、双方向の回転を伝動できるようにしている。また、ベルトを用いた非平行軸伝動機構も従来ある（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０３―５０５０６７号公報（第１２頁、図６）
【非特許文献１】伊藤茂著「メカニズムの事典」理工学社、１９８３年５月１０日、ｐ．１０８−１１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のワイヤを用いた非平行軸伝動機構は、一般のワイヤを用いた機構と同様に、ワイヤへの負荷が大きくなるためワイヤの信頼性の問題から産業用機器への適用が妨げられていた。また、従来の機構ではワイヤの端をそれぞれプーリに固定する必要があり、１回転するとワイヤが重なってしまうため、可動範囲が１回転に限られるという問題があった。【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、耐久性が高く、可動範囲の制限なく直交する軸に動力を伝達でき、差動機構としても用いることができる非平行軸ベルト伝動機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、次のように構成した。
請求項１に記載の非平行軸伝動機構は、複数のプーリと、前記プーリをそれぞれ回転可能に支持する支持シャフトと、複数の前記プーリのうちのいずれかに入力された動力を回転軸が平行でない他のいずれかの前記プーリに伝える伝動媒体と、を有し、前記伝動媒体は、平面に展開した形状が扇形である扇ベルトとなっており、前記プーリは前記扇ベルトとの接触面に仮想円錐面を設定して前記仮想円錐面から前記扇ベルトの表面形状を差し引いた形状である円錐プーリとなっており、前記円錐プーリの回転軸は前記仮想円錐面がなす円錐の中心線となっており、複数の前記円錐プーリのうちの少なくとも２個はそれぞれの前記仮想円錐面の頂点の位置が一致するように配置されていることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の非平行軸伝動機構は、複数の前記円錐プーリのうちの少なくとも２個はそれぞれの前記仮想円錐面が接するように配置されており、前記扇ベルトは隣接する２個の前記円錐プーリの前記仮想円錐面の接線を境に表裏が逆の面で２個の前記円錐プーリと接しているとするものである。
また、請求項３に記載の非平行軸伝動機構は、前記扇ベルトは断面がＶ形または台形の突起を少なくとも１つ備えたＶベルトであり、前記円錐プーリはそれに対応する溝を備えたものである。
また、請求項４に記載の非平行軸伝動機構は、前記扇ベルトのＶ形または台形の突起の形状は扇形の中心側の面とベルト面とのなす角が扇形の外側の面とベルト面とのなす角よりも小さい非対称形状であるものである。
また、請求項５に記載の非平行軸伝動機構は、前記扇ベルトはベルトの進行方向に複数の歯状突起を備えたタイミングベルトであり、前記円錐プーリはそれに対応する溝を備えたタイミングプーリであるものである。
また、請求項６に記載の非平行軸伝動機構は、前記扇ベルトのタイミングベルトの歯形状は扇形の外側ほど広くなるくさび形突起であり、前記円錐プーリはそれに対応する溝を備えたものである。
また、請求項７に記載の非平行軸伝動機構は、複数の前記円錐プーリのうちのいずれか２個をそれぞれ円錐プーリ１および円錐プーリ２とし、前記扇ベルトは一方の端を前記円錐プーリ１に固定されかつもう一方の端を前記円錐プーリ２に固定された両端固定扇ベルトであるものである。
また、請求項８に記載の非平行軸伝動機構は、隣接する２個の前記円錐プーリをそれぞれ円錐プーリＡおよび円錐プーリＢとし、前記円錐プーリＡの前記仮想円錐面と前記円錐プーリＢの前記仮想円錐面との接線を仮想円錐接線とし、前記両端固定扇ベルトを２本備え、一方の前記両端固定扇ベルトは前記仮想円錐面の頂点方向から見て時計回りに前記円錐プーリＡに巻き付けられ前記仮想円錐接線を境に前記仮想円錐面の頂点方向から見て反時計回りに前記円錐プーリＢに巻き付けられており、もう一方の前記両端固定ベルトは前記仮想円錐面の頂点方向から見て反時計回りに前記円錐プーリＡに巻き付けられ前記仮想円錐接線を境に前記仮想円錐面の頂点方向から見て時計回りに前記円錐プーリＢに巻き付けられているものである。
また、請求項９に記載の非平行軸伝動機構は、前記扇ベルトは扇形の両端を繋いで環状とした扇環状ベルトであるものである。
また、請求項１０に記載の非平行軸伝動機構は、複数の前記円錐プーリのうちの２以上の整数ｎ個の主円錐プーリと、２（ｎ−１）個の案内円錐プーリとを備え、前記主円錐プーリおよび前記案内円錐プーリはそれぞれの前記仮想円錐面の頂点の位置が一致するように配置されており、前記案内円錐プーリは数珠繋ぎに連結された前記主円錐プーリの間に２個ずつそれぞれ２個の前記主円錐プーリに隣接するように配置されており、前記扇環状ベルトは内側の面で前記主円錐プーリと接しており外側の面で前記案内円錐プーリと接しているものである。
また、請求項１１に記載の非平行軸伝動機構は、複数の前記円錐プーリのうちの２以上の整数ｎ個の主円錐プーリと、２ｎ個の案内円錐プーリとを備え、前記主円錐プーリおよび前記案内円錐プーリはそれぞれの前記仮想円錐面の頂点の位置が一致するように配置されており、前記案内円錐プーリは環状に連結された前記主円錐プーリの間に２個ずつそれぞれ２個の前記主円錐プーリに隣接するように配置されており、前記扇環状ベルトは内側の面で前記主円錐プーリと接しており外側の面で前記案内円錐プーリと接しているものである。
また、請求項１２に記載の非平行軸伝動機構は、複数の前記円錐プーリのうちの２個の入力円錐プーリと、１以上の整数ｎ個の主円錐プーリと、４ｎ個の案内円錐プーリとを備え、前記入力円錐プーリと前記主円錐プーリと前記案内円錐プーリとはそれぞれの前記仮想円錐面の頂点の位置が一致するように配置されており、２個の前記入力円錐プーリの回転軸は同一直線上に配置され、前記主円錐プーリの回転軸は前記入力円錐プーリの回転軸と垂直になるように配置され、前記案内円錐プーリは前記主円錐プーリそれぞれに４つずつ接しておりかつ４つのうち２つが前記入力円錐プーリのうちの一方に接しており残り２つがもう一方の前記入力円錐プーリに接するように配置されているものである。
また、請求項１３に記載の非平行軸伝動機構は、前記主円錐プーリはタイミングプーリであり、前記扇ベルトの展開中心角が主円錐プーリの歯溝ピッチの整数倍となるように前記案内円錐プーリの仮想円錐面の円錐台底面半径が設定されているものである。
また、請求項１４に記載の非平行軸伝動機構は、前記案内円錐プーリをそれぞれ支持する前記支持シャフトおよび前記出力プーリを支持する前記支持シャフトを固定する支持フレームを備え、前記支持フレームは２個の前記入力円錐プーリの回転軸まわりに回転可能に支持されているものである。
また、請求項１５に記載の非平行軸伝動機構は、前記扇ベルトを摺動接触支持する支持部材を少なくとも１つ備え、前記支持部材は前記扇ベルトとの接触面に仮想円錐面を設定して前記仮想円錐面から前記扇ベルトの表面形状を差し引いた形状である円錐形支持部材となっており、前記円錐形支持部材と複数の前記円錐プーリのうちのいずれかはそれぞれの前記仮想円錐面の頂点の位置が一致しておりかつ前記仮想円錐面が接するようにするように配置されており、前記扇ベルトは前記仮想円錐面の接線を境に表裏が逆の面で前記円錐プーリおよび前記円錐形支持部材と接しているとするものである。
また、請求項１６に記載のロボットは、複数のアーム材と、前記アーム材とを旋回または回転可能に連結する関節部と、を有し、前記関節部には、請求項１乃至１５記載の非平行軸伝動機構を有していることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１、１６に記載の発明によると、平行でない軸に、ベルトを捻ることなく動力を伝動することができる。ベルトを用いるため、傘歯車を用いた場合に比べ軽量な材料を用いることができるため機構が軽量であり、バックラッシも少なく伝動することができる。また、ベルトを用いるため、ワイヤを用いた場合に比べ耐久性を高くすることができる。
また、請求項２に記載の発明によると、プーリを離さずに配置することができ、機構を小型化できる。
また、請求項３に記載の発明によると、ベルトが円錐の先端方向に滑ることなく動力を伝動できる。
また、請求項４に記載の発明によると、円錐の先端方向に向かう力を垂直に近い面で受けることができるため、ベルトがはずれにくくすることができ、ベルトの突起部を変形しにくくすることができるため、突起を小さくすることができ、ベルトを曲げやすくでき、ベルトの耐久性を高めることができる。
また、請求項５に記載の発明によると、強い力でも滑ることなく伝動することができる。
また、請求項６に記載の発明によると、ベルトが円錐の先端方向に滑ることなく動力を伝動できる。
また、請求項７に記載の発明によると、案内プーリ等を用いることなく、回転軸が平行でないプーリに単純な機構で動力を伝動することができる。
また、請求項８に記載の発明によると、案内プーリ等を用いることなく、回転軸が平行でない隣接したプーリに単純な機構で動力を伝動することができる。
また、請求項９に記載の発明によると、回転軸が平行でないプーリに両方向の回転の動力を連続的に伝動することができる。
また、請求項１０に記載の発明によると、回転軸が平行でない数珠繋ぎに隣接する複数のプーリに両方向の回転の動力を連続的に伝動することができる。
また、請求項１１に記載の発明によると、回転軸が平行でない環状に隣接する複数のプーリに両方向の回転の動力を連続的に伝動することができる。
また、請求項１２に記載の発明によると、回転軸が同一直線上にある２つのプーリと、それと垂直な回転軸を持ち環状に隣接する複数のプーリに両方向の回転の動力を連続的に伝動することができる。
また、請求項１３に記載の発明によると、扇環状ベルトをタイミングベルトとした場合でも、ベルトのたわみ等がなく、歯と溝を正しくかみ合わせることができ、回転軸平行でない隣接する複数のプーリに両方向の回転の動力を連続的に伝動することができる。
また、請求項１４に記載の発明によると、ベルトを用いて軽量でバックラッシがなく耐久性が高い直交軸差動機構を実現することができる。ワイヤを用いた場合には差動機構にするためにプーリに４段の段差が必要であったが、１段にすることができるため小型軽量化でき、ベルトを用いてバックラッシがなく耐久性が高い直交軸差動機構を実現することができる。
また、請求項１５に記載の発明によると、板金やプラスチックなどを用いることができ、小型軽量化でき、コストを低減できる。
また、請求項１６に記載の発明によると、ベルトが円錐の先端方向や伝動方向に滑ることなく動力を伝動できる。
また、請求項１７に記載の発明によると、剛性の高い扇ベルトを容易に製造できる。
また、請求項１８に記載の発明によると、ベルトが円錐の先端方向や伝動方向に滑ることなく動力を伝動できる。
また、請求項１９に記載の発明によると、プーリ同士が干渉することなく伝動できる。
また、請求項２０に記載の発明によると、ベルトが円錐の先端方向や伝動方向に滑ることなく動力を伝動できる。
また、請求項２１に記載の発明によると、タイミング扇ベルトを容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態を示す非平行軸ベルト伝動機構の三面図
【図２】本発明の第２実施形態を示す非平行軸ベルト伝動機構の扇ベルトを示す展開図および断面図
【図３】本発明の第３実施形態を示す非平行軸ベルト伝動機構の上面図および正面図
【図４】本発明の第３実施形態の寸法算出方法説明のための断面図
【図５】本発明の第３実施形態の寸法算出方法説明のための断面図
【図６】本発明の第４実施形態を示す非平行軸ベルト伝動機構の扇環状ベルトを示す展開図
【図７】本発明の第５実施形態を示す直交軸差動ベルト伝動機構の主要部分を示す三面図および斜視図
【図８】本発明の第５実施形態を示す直交軸差動ベルト伝動機構の全体像を示す斜視図
【図９】本発明の第５実施形態を示す直交軸差動ベルト伝動機構の内部構造を示す分解図
【図１０】本発明の第６実施形態を示す直交軸差動ベルト伝動機構の主要部分を示す正面図、右側面図および斜視図
【図１１】本発明の第６実施形態の展開中心角の計算例を示すグラフ
【図１２】本発明の第８実施形態の扇ベルトの一部を示す展開図
【図１３】本発明の第９実施形態の構成の主要部分を示す図
【図１４】本発明の第１０実施形態を示す直交軸差動関節ユニットの外観図
【図１５】本発明の第１０実施形態を示す直交軸差動関節ユニットを用いたロボットアームの外観図
【図１６】本発明の第１１実施形態を示す円錐プーリと扇ベルトの形状を示す斜視図
【図１７】本発明の第１１実施形態を示す円錐プーリの噛み合い部分の断面図
【図１８】本発明の第１２実施形態を示す円錐プーリと扇ベルトの形状を示す斜視図
【図１９】本発明の第１２実施形態を示す円錐プーリと扇ベルトを分離した部品図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１実施形態］
図１は、本発明の非平行軸ベルト伝動機構の最も単純な構成例の一つを示す三面図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は右側面図、図１（ｃ）は下面図である。理解しやすいように、主要部分のみを簡略的に示しているが、実際には支持機構等が必要である。図において、１、２は円錐プーリであり、３、４は扇ベルトである。円錐プーリとは、扇ベルトとの接触部分に仮想的に設定した円錐面を基準としてベルト厚みを差し引いた形状となっているプーリのことである。この仮想的に設定した円錐面を「仮想円錐面」と記述する。円錐プーリ１は回転軸５まわりに、円錐プーリ２は回転軸６まわりにそれぞれ回転可能となるように固定する。回転軸５および６は、それぞれの仮想円錐面の中心線となっている。
【００１２】
ここでは、便宜上「円錐」と記述しているが、円錐プーリ１および２の仮想円錐面は、もちろん実際には先端まで備えた円錐形である必要はなく、扇ベルトとの接触部分だけが円錐形であればよい。円錐プーリ１および２は、仮想円錐面の頂点を一致させて隣接するように配置する。すなわち、回転軸５と回転軸６はそれぞれの仮想円錐面の頂点で交わる。
扇ベルトとは、平面に展開した形状が扇形となるベルトである。ここでは、「扇形」と記述しているが、扇ベルトはもちろん実際には先端まで備えた扇形である必要はなく、「扇形」とは、図２に示すように、円弧を描くような帯状の形状を含む。上述のように円錐プーリを配置すると、一定の半径の扇形のベルトを２個のプーリにたるみなく巻き付けることができ、プーリが回転しても接触部が滑ることなく連続して動力を伝達できる。このようにすることで、プーリの回転軸が平行でない場合でも、ベルトによる動力伝達が可能となる。扇ベルトを平ベルトとし、ベルトの厚みの中央がなす円錐面を仮想円錐面７と設定している。
【００１３】
従って円錐プーリ１および２は仮想円錐面７よりもベルト厚の半分だけ半径が小さい円錐形状である。円錐プーリ１および２は仮想円錐面が接するように配置するので、結果的に扇ベルト３および４の厚み分だけ隙間を空けて配置されることになる。以下では、図２に示すように、展開した際の扇ベルト外側の半径を「展開半径」と記述する。また、展開した場合の中心角を「展開中心角」と記述する。展開中心角はベルトの長さに相当する。本実施形態では、扇ベルト３および４の両端は円錐プーリ１および２にそれぞれ固定する。本実施形態では、扇ベルト３と扇ベルト４との干渉を防ぐため、位置をずらして配置する。このため、扇ベルト３の展開半径を扇ベルト４の展開半径より大きくする。
【００１４】
円錐プーリの仮想円錐面と扇ベルトの接触面を、円錐台の側面の一部とみなすことができる。このように見なすと、円錐プーリについても、扇ベルトとの接触面を平面に展開したときの展開半径と展開中心角を考えることができる。円錐プーリ１および２と扇ベルト３および４との接触部分は、展開半径がそれぞれ一致するような形状とする。以下では、この円錐台の底面の半径を「円錐台底面半径」と記述する。また、円錐の母線と回転軸とのなす角を「円錐角」と記述する。本実施形態のベルト伝動機構の幾何学的な寸法の設計においては、まず始めに、円錐プーリ１と扇ベルト３とがなす円錐台底面半径ｒ１、円錐プーリ２と扇ベルト３とがなす円錐台底面半径ｒ２、および回転軸５と回転軸６とがなす角ψを決定する。これらの値より、扇ベルト３の展開半径Ｒ、円錐プーリ１の円錐角θ１、円錐プーリ２の円錐角θ２は、次のような関係を満たすように決定する。
【００１５】
【数１】
2011049013.tif 000003
【００１６】
すなわち、これを解いて、Ｒ、θ１、θ２を次のように決定する。
【００１７】
【数２】
2011049013.tif 000004
【００１８】
扇ベルト４の展開半径Ｒ’は、円錐プーリ１と扇ベルト４とがなす円錐台底面半径ｒ１’、円錐プーリ２と扇ベルト４とがなす円錐台底面半径ｒ２’から扇ベルト３の場合と同様に求めればよい。ただし、円錐台底面半径ｒ１’とｒ２’との比は、ｒ１とｒ２との比と等しくなるように決定する。あるいは、先に扇ベルト３と重ならないように扇ベルト４の展開半径Ｒ’を決定し、円錐台底面半径ｒ１’とｒ２’を次式により決定しても良い。
【００１９】
【数３】
2011049013.tif 000005
【００２０】
本実施形態では、プーリを円錐形とし、ベルトを扇形とし、円錐プーリの頂点が一致するように配置したことにより、ベルトをねじらずに非直交軸の伝動が可能となっている。
【００２１】
本実施形態の機構の動作を以下に説明する。円錐プーリ１が回転軸５まわりに上面から見て時計回りに回転すると、扇ベルト３が巻き取られ、円錐プーリ２が回転軸６まわりに上面から見て反時計回りに回転する。その際、扇ベルト４は円錐プーリ２に巻き取られるため、緩み等が生じることはない。円錐プーリ１が回転軸５まわりに上面から見て反時計回りに回転すると、扇ベルト４が巻き取られ、円錐プーリ２が回転軸６まわりに上面から見て時計回りに回転する。このようにして回転軸５の回転を、平行でない回転軸６に伝動することができる。このとき、ｒ１とｒ２の比により減速あるいは増速される。
ただし、本実施形態では、扇ベルト３および４の両端を固定しているため、せいぜい１回転しか伝動できない。ｒ１≦ｒ２であるとすると、扇ベルト３および４の展開中心角αは以下のようにすると、小さい方のプーリすなわち円錐プーリ１が約１回転する範囲まで伝動できる。
【００２２】
【数４】
2011049013.tif 000006
【００２３】
ｒ１＝ｒ２のときは、θ１＝π／４となるので、以下のようになる。
【００２４】
【数５】
2011049013.tif 000007
【００２５】
扇ベルト３および４が十分に薄いとすればベルトの展開中心角を大きくし、複数回巻き付けておくことで近似的に多回転の伝動が可能であるが、実際にはベルトが重なるとベルトの厚み分だけ半径が変化するため、精度のよい伝動は難しい。
【００２６】
［第２実施形態］
本実施形態では、扇ベルトをＶリブドベルトとした場合の例について説明する。本実施形態の扇ベルトを平面に展開した形状を図２に示す。第１実施形態では、ベルトの表面形状は平ベルトを想定して説明したが、実際には扇ベルト３および４は円錐プーリ１および２の先端方向に向かう力を受けるため、ベルトの横ずれを防止する対策が必要である。これは、例えば扇ベルト３および４を、ＶベルトやＶリブドベルトとすればよい。１０は扇ベルトであり、第１実施形態と同様に円錐プーリと組み合わせて用いる。
【００２７】
扇ベルト１０の断面形状を図２に示す。扇の中心側の面により大きな力がかかるため、Ｖ形状を対称とはせずに、図２に示すように中心側の面をより垂直に近づけた断面形状とするとよい。扇ベルトをタイミングベルトやＶベルトなどとした場合、円錐プーリは、仮想円錐面を基準として扇ベルトの接触面形状に対応する凹凸を表面に設ける。図２に示すように、円錐プーリ９は仮想円錐面８から図２に示す扇ベルト１０の接触面形状を差し引いた形状とする。 
【００２８】
［第３実施形態］
図３は、本実施形態の非平行軸ベルト伝動機構の第３実施形態の構成について、主要部分のみを簡略に示した図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は正面図である。図において、１１、１２は主円錐プーリであり、１７、１８は案内円錐プーリであり、１３は扇環状ベルトである。本実施形態では、扇ベルトは１本のみであり、環状である。第１実施形態と同様に、主円錐プーリ１１、１２および案内円錐プーリ１７、１８は、それぞれの仮想円錐面の中心線まわりに回転可能とし、頂点を一致させて隣接するように配置する。
【００２９】
すなわち、回転軸はそれぞれの仮想円錐面の頂点で交わる。このように円錐プーリを配置すると、扇ベルトを同じ半径の環状にすることができるため、連続多回転の伝動が可能である。ただし、主円錐プーリ１１および１２の円錐角が大きい場合、扇環状ベルト１３の展開中心角は２πを超える場合がある。このような場合でも、扇ベルトを複数本に分けて製造し、繋ぎ合わせて環状にすることで実現可能である。
【００３０】
本実施形態でも、まず始めに、主円錐プーリ１１と扇環状ベルト１３とがなす円錐台底面半径ｒ１、主円錐プーリ１２と扇環状ベルト１３とがなす円錐台底面半径ｒ２、および回転軸１５と回転軸１６とがなす角ψを決定する。これらの値より、扇環状ベルト１３の展開半径Ｒ、主円錐プーリ１１の円錐角θ１、主円錐プーリ１２の円錐角θ２は第１実施形態と同様の式で決定できる。また、案内円錐プーリ１７および１８と扇環状ベルト１３とがなす円錐台底面半径を決定する。案内円錐プーリ１７および１８の円錐台底面半径は異なっていても良いが、本実施形態では、簡単のため、どちらもｒ３とする。このとき、案内円錐プーリ１７および１８の円錐角θ３は、次式で求められる。
【００３１】
【数６】
2011049013.tif 000008
【００３２】
以下では、本実施形態で案内円錐プーリ１７および１８の回転軸の角度、および扇環状ベルトの展開中心角の決定方法を説明する。案内円錐プーリ１７と１８を同じ形状とした場合、回転軸の角度は対称な位置となるので、案内円錐プーリ１７についての算出方法のみ述べる。主円錐プーリ１１、１２、および１７の円錐台底面と回転軸との交点をそれぞれＮ１、Ｎ２、Ｎ３とする。また、本実施例では、主円錐プーリ１１の円錐台底面と主円錐プーリ１２の円錐台底面との接点をＲ１、主円錐プーリ１１の円錐台底面と案内円錐プーリ１７の円錐台底面とは接しており、その接点をＲ２、主円錐プーリ１２の円錐台底面と案内円錐プーリ１７の円錐台底面との接点をＲ３とする。以下では、点Ａから点Ｂへ向かうベクトルを「ベクトルＡ→Ｂ」のように記述する。円錐プーリの頂点を原点Ｏとし、ベクトルＯ→Ｎ１の方向にＺ軸をとる。
【００３３】
また、ベクトルＯ→Ｎ１とベクトルＯ→Ｎ２とがなす平面上にありＺ軸と垂直な直線の方向にＹ軸をとる。ベクトルＯ→Ｎ２とベクトルＯ→Ｎ1との外積ベクトルの方向にＸ軸をとる。ベクトルＮ１→Ｒ１とベクトルＮ１→Ｒ２とのなす角をφ１、ベクトルＮ２→Ｒ１とベクトルＮ２→Ｒ３とのなす角をφ２、ベクトルＮ３→Ｒ１とベクトルＮ３→Ｒ２とのなす角をφ３とする。点Ｎ３は平面Ｏ-Ｎ１-Ｒ２上にあり、かつ、平面Ｏ-Ｎ２-Ｒ３上にあるので、φ１およびφ２が決定できれば案内円錐プーリ１７の回転軸方向を決定できる。また、扇環状ベルト１３の展開中心角αはφ１、φ２およびφ３が決定できれば次式により決定できる。
【００３４】
【数７】
2011049013.tif 000009
【００３５】
図４に断面Ｏ-Ｎ３-Ｒ２-Ｎ１を示す。図より、点Ｎ３のＺ座標ｎ３ｚ、および点Ｎ３のＺ軸からの距離Ｌ１は、それぞれ以下のように求められる。
【００３６】
【数８】
2011049013.tif 000010
【００３７】
【数９】
2011049013.tif 000011
【００３８】
図５に断面Ｏ-Ｎ２-Ｒ３-Ｎ３を示す。点Ｎ３から主円錐プーリ１２の回転軸に下ろした垂線の足を点Ｍとする。図より、ベクトルＯ→Ｍの大きさｈ２、およびベクトルＭ→Ｎ３の大きさＬ２は、それぞれ以下のように求められる。
【００３９】
【数１０】
2011049013.tif 000012
【００４０】
図３（ｂ）に平面ＹＺにベクトルＭ→Ｎ３を射影した図を示す。図より、点Ｎ３のＹ座標ｎ３ｙおよびＺ座標ｎ３ｚは以下のように求められる。
【００４１】
【数１１】
2011049013.tif 000013
【００４２】
【数１２】
2011049013.tif 000014
【００４３】
数式（１）および数式（３）よりｎ３ｚを消去し、数式（２）を代入すればφ２を以下のように求められる。
【００４４】
【数１３】
2011049013.tif 000015
【００４５】
図３（ａ）より、φ１は以下のように求められる。
【００４６】
【数１４】
2011049013.tif 000016
【００４７】
また、図３（ａ）より、ｎ３ｘは以下のように求められる。
【００４８】
【数１５】
2011049013.tif 000017
【００４９】
以上で、点Ｎ３の座標が得られた。図３より点Ｒ２および点Ｒ３の座標は以下のように求められる。
【００５０】
【数１６】
2011049013.tif 000018
【００５１】
点Ｎ３、点Ｒ２、点Ｒ３の座標が得られたので、以下のようにφ３を決定する。
【００５２】
【数１７】
2011049013.tif 000019
【００５３】
以上で案内円錐プーリの回転軸方向および扇環状ベルト１３の展開中心角が得られ、非平行軸のベルト伝動機構が実現できた。このような非平行軸ベルト伝動機構により、傘歯車に比べ軽量でバックラッシがなく、ワイヤ伝動機構に比べ剛性や耐久性が高い非平行軸の伝動が可能である。
【００５４】
［第４実施形態］
本実施形態では、扇環状ベルトをタイミングベルトとした場合の例について説明する。本実施形態の扇環状ベルトを平面に展開した形状を図６に示す。２０は扇環状ベルトであり、片面にのみ歯を備えたタイミングベルトである。歯を備えた面を主円錐プーリ側とし、主円錐プーリをその形状に合わせた溝を備えたタイミングプーリとする。タイミングベルトにすることで、円錐プーリと扇環状ベルトとの接触面が滑ることなく、両方向の回転を伝達できる。２枚の扇ベルトを線分ＰＰ'と線分ＱＱ'で繋いで扇環状ベルト２０する。このような形状はもちろんベルトが可撓性であるおかげで実現可能な形状である。この場合の扇環状ベルト２０の展開中心角はα１＋α２となる。タイミングベルトの歯形状を、図６に示すように扇の外側ほど広がった形状とすることにより、扇ベルトの歯が円錐プーリの溝にくさびのように挟まって円錐プーリの先端方向に向かう力を受ける役割を果たし、横ずれが生じなくなる。案内プーリ側は歯を備えずに円錐面で接触すればよい。
【００５５】
第３実施形態では、先に案内円錐プーリの円錐台底面半径ｒ３を決定し、それに対応する扇環状ベルト１３の展開中心角αを求めた。しかし、ｒ３は、扇環状ベルトの耐久性が十分確保できる程度以上に大きく、他の部品と機構的に干渉しない程度以下に小さければ、特にどのような大きさでも構わない場合が多い。一方、扇環状ベルトをタイミングベルトとした場合、αはベルトの歯数が整数となるように決定する必要がある。そのため、先にαを決定し、それに対応するｒ３を求める方がよいのであるが、この計算式を解析的に求めるのは困難である。その場合は、計算機を用いて、上述のようなｒ３からαを求める計算を、十分な精度に収束するまで繰り返して求めればよい。
【００５６】
［第５実施形態］
図７は第５実施形態の構成の主要部分を示す図あり、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は右側面図、図７（ｃ）は下面図、図７（ｄ）は斜視図である。図において、２１、２２は入力円錐プーリ、２３は主円錐プーリ、２４、２５、２６、２７は案内円錐プーリ、２８は扇環状ベルトとなっている。本実施形態では、１本の扇環状ベルト２８のみで動力を伝動する。扇環状ベルト２８は、中心角が２πを超える扇形で、環状である。入力円錐プーリ２１、２２、主円錐プーリ２３、および案内円錐プーリ２４、２５、２６、２７は、第２実施形態と同様に、それぞれの中心線まわりに回転可能とし、頂点を一致させて隣接するように配置する。すなわち、回転軸はそれぞれの円錐の頂点で交わる。ただし、扇環状ベルト２８の厚み分の隙間を空ける。本実施形態では、入力円錐プーリ２１と入力円錐プーリ２２との円錐台底面半径を一致させ、その回転軸を同一直線上に対向させて配置する。
【００５７】
主円錐プーリ２３の回転軸はこれらと直交するように配置する。扇環状ベルト２８は、入力円錐プーリ２１、２２、主円錐プーリ２３、および案内円錐プーリ２４、２５、２６、２７のまわりに、図示したように巻く。扇環状ベルト２８は、４つの案内円錐プーリで挟みつけることで張力を得ている。このように円錐プーリを配置すると、ベルトを同じ半径の環状にすることができるため、連続多回転の伝動が可能である。本実施形態では、扇環状ベルト２８は、例えば入力円錐プーリ２１、２２、および主円錐プーリ２３との接触面に歯を刻んだタイミングベルトとする。タイミングベルトにすることで、主円錐プーリと扇環状ベルトとの接触面が滑ることなく、両方向の回転を伝達できる。もちろん、円錐プーリと扇ベルトは平ベルトやＶベルトのようにして、摩擦によって伝動しても良い。あるいは第１実施形態と同様に、扇ベルトの一部を円錐プーリに固定しても良いが、その場合は可動範囲が１回転未満に制限される。
【００５８】
入力円錐プーリ２１と２２は対称な形状とすればよいため、入力円錐プーリ２１、２２の円錐台底面半径をｒ１、主円錐プーリ２３の円錐台底面半径をｒ２、案内円錐プーリ２４、２５、２６、２７の円錐台底面半径をｒ３とおけば、第２実施形態と同様にφ１、φ２、φ３が計算できる。ただし、本実施形態では入力円錐プーリ２１と２３の回転軸のなす角、および入力円錐プーリ２２と２３の回転軸のなす角がそれぞれ直角であるため、ψ＝π／２とおけば、φ１、φ２、ｎ３ｙ、ベクトルＯ→Ｒ２、ベクトルＯ→Ｒ３の算出式が以下のように簡単になる。
【００５９】
【数１８】
2011049013.tif 000020
【００６０】
扇環状ベルト２８の展開中心角αはφ１、φ２およびφ３より次式で決定できる。
【００６１】
【数１９】
2011049013.tif 000021
【００６２】
ここで、主円錐プーリ２３は２箇所で扇環状ベルト２８に接しているが、それらが互いに矛盾無く噛み合うようにする必要がある。例えば入力円錐プーリ２１と２３が同一形状で歯溝数が奇数であれば、扇環状ベルト２８の歯数も奇数である必要があり、入力円錐プーリ２１と２３が同一形状で歯溝数が偶数であれば、扇環状ベルト２８の歯数も偶数である必要がある。
【００６３】
このような直交軸差動ベルト伝動機構により、傘歯車に比べ軽量でバックラッシがなく、ワイヤ伝動機構に比べ剛性や耐久性が高い直交軸差動伝動が可能である。この伝動機構は、入力円錐プーリ２１と入力円錐プーリ２２それぞれに独立に動力を入力し、主円錐プーリ２３を出力シャフトに固定して用いる。
図８は本実施形態の機構の支持機構やアクチュエータを含めた全体の構造図であり、図９はその分解構造図である。図の都合により、片側のみしか示されていない部品もあるが、図示されていない部分も、前後および左右対称に同じ部品を備えている。以下では、片側のみ説明する。また、以下では、入力円錐プーリ２１および入力円錐プーリ２２の回転軸をピッチ軸、主円錐プーリ２３の回転軸をロール軸と記述する。図において、５１は固定支持円盤であり、中空固定支持シャフト６３、およびハーモニックギヤ６７のサーキュラスプラインを固定支持している。
【００６４】
本実施形態では、減速機にはサーキュラースプラインを２枚備えたタイプのハーモニックギヤ６７を想定しているが、他のタイプのハーモニックギヤや他の減速機を用いても良い。中空固定支持シャフト６３にはアウターロータモータ固定子６６が固定されている。アウターロータモータ回転子６４は、ベアリングを介してピッチ軸まわりに回転可能に支持される。ハーモニックギヤ６７の入力となるウェーブジェネレータはアウターロータモータ回転子６４に固定される。ハーモニックギヤ６７の出力となるもう１つのサーキュラースプラインには、入力円錐プーリ２１を固定する。入力円錐プーリ２１は主プーリ支持円盤６５およびクロスローラベアリング６８を介して、ピッチ軸まわりに回転可能に支持する。本実施形態では、機構全体の寸法を小型化するために、入力円錐プーリ２１をアウターロータモータ回転子６４の外側で支持しているが、もちろん中空固定支持シャフト６３など固定部分で支持しても良い。
【００６５】
６１は案内プーリ支持シャフトであり、ベアリング７０を介して案内円錐プーリ２４を案内プーリ支持シャフト６１の中心軸周りに回転可能に支持している。案内プーリ支持シャフト６１は支持フレーム小５６に固定されている。支持フレーム小５６と同様の部品が前後左右対象な位置に４つ配置されている。これらと、支持フレーム横５２および５３と、支持フレーム上５５とは一体に固定されており、支持フレーム横５２および５３にそれぞれ備えたベアリングを介してピッチ軸まわりにこれら全体が回転可能に支持されている。６０は出力シャフトであり、支持フレーム上５５にベアリング７０を介してロール軸まわりに回転可能に支持されている。出力シャフト６０には主円錐プーリ２３が固定されており、扇環状ベルト２８によって伝えられたロール軸まわりの動力を出力する。
【００６６】
本実施形態の動作を以下に説明する。入力円錐プーリ２１と入力円錐プーリ２２を同じ方向に回転させた場合、それらのトルクの和が出力シャフト６０をピッチ軸周りに回転させる力として伝えられる。例えば、入力円錐プーリ２１と入力円錐プーリ２２を図の右からみて反時計回りに回転させた場合。扇環状ベルト２８、案内円錐プーリ２４および２５、ベアリング６９、案内プーリ支持シャフト６１および６２を介して支持フレーム小５６および５７に伝わり、出力シャフト６０は、支持フレーム横５１および５２、支持フレーム上５５、ベアリング７０とともにこれらと一体となって、ピッチ軸周りに回転する。一方、入力円錐プーリ２１と入力円錐プーリ２２の回転トルクに差があった場合、その差に相当するトルクが扇環状ベルト２８によって伝達され、出力シャフト６０をロール軸まわりに回転させるトルクとなる。ただし、この機構の回転方向は傘歯車による差動機構とは逆になる。
【００６７】
特許文献１の従来技術では、差動機構にするためにプーリに４段の段差が必要であったが、本実施形態では１段でよいため、小型軽量化が可能である。また、ベルトを用いるのでワイヤを用いた場合に比べ、耐久性が高い。さらに、特許文献１の従来技術では、せいぜい１回転までしか伝動できないが、本実施形態では連続多回転の伝動が可能である。本機構をロボットの干渉駆動関節機構として適用し、小形軽量なロボットを実現可能である。
【００６８】
［第６実施形態］
図１０は第６実施形態の構成を示す図あり、図１０（ａ）は正面図、図１０（ｂ）は右側面図、図１０（ｃ）は斜視図である。図において、３３、３４は入力円錐プーリ、３５、３６は主円錐プーリ、３７、３８、４０、４１、４２、４４は案内円錐プーリ、３１および３２は扇環状ベルトとなっている。図では隠れているものもあるが、案内円錐プーリは８個あり、前後左右対称な位置に配置されている。本実施形態では、扇環状ベルト３１と３２の２本の扇環状ベルトを用いて動力を伝動する。扇環状ベルトはどちらか一方のみでも差動機構として動作させることができるが、２本用いることでベルトにかかる負荷を分散でき、より大きい負荷に耐えられる。あるいは、同じ負荷トルクを発生させたい場合に、それぞれのベルトを細くできる。扇環状ベルト３１および３２は、中心角が２πを超える扇形で、環状である。
【００６９】
入力円錐プーリ３３、３４、主円錐プーリ３５、３６、および案内円錐プーリ３７、３８、４０、４１、４２、４４は、第２及び第３実施形態と同様に、それぞれの仮想円錐面の中心線まわりに回転可能とし、頂点を一致させて隣接するように配置する。すなわち、回転軸はそれぞれの仮想円錐面の頂点で交わる。本実施形態では、入力円錐プーリ３３と主円錐プーリ３４との円錐台底面半径を一致させ、その回転軸を同一直線上に対向させて配置する。さらに、主円錐プーリ３５と主円錐プーリ３６の円錐台底面半径を一致させ、その回転軸を同一直線上に対向させて配置する。主円錐プーリ３５および主円錐プーリ３６の回転軸は、入力円錐プーリ３３および主円錐プーリ３４の回転軸と直交するように配置する。扇環状ベルト３１は、入力円錐プーリ３３、３４、主円錐プーリ３５、３６、および案内円錐プーリ３７、３８、４１、４２のまわりに、図７（ａ）示したように巻く。
【００７０】
扇環状ベルト３１は、４つの案内円錐プーリで抑えつけることで張力を得ている。扇環状ベルト３２は、これと前後対称の位置に同様に４つの案内円錐プーリで抑えつけるように配置する。このように円錐プーリを配置すると、ベルトを同じ半径の環状にすることができるため、連続多回転の伝動が可能である。扇環状ベルト３１および３２は、第２又は第３実施形態と同様に、例えばタイミングベルトとすればよい。
【００７１】
入力円錐プーリ３３と３４、主円錐プーリ３５、３６は対称な形状とすればよいため、入力円錐プーリ３３、３４の円錐台底面半径をｒ１、主円錐プーリ３５、３６の円錐台底面半径をｒ２、８個の案内円錐プーリの円錐台底面半径をｒ３とおけば、第２及び第３実施形態と同様にφ１、φ２、φ３が計算できる。円錐プーリ扇環状ベルト３１および３２の展開中心角αは、φ１、φ２およびφ３より次式で決定できる。
【００７２】
【数２０】
2011049013.tif 000022
【００７３】
このような直交軸差動ベルト伝動機構により、傘歯車に比べ軽量でバックラッシがなく、ワイヤ伝動機構に比べ剛性や耐久性が高い直交軸差動伝動が可能である。この伝動機構は、入力円錐プーリ３３と主円錐プーリ３４それぞれに独立に動力を入力し、主円錐プーリ３５（または主円錐プーリ３６）を出力シャフトに固定して用いる。
このような構造とすると、片側から案内円錐プーリを４つ取り外すだけで扇環状ベルトを取り外すことができ、メンテナンスがしやすい。
【００７４】
図１１に数式（４）を用いて計算した展開中心角の数値例を示す。４つの主円錐プーリと８つの案内円錐プーリはそれぞれ同じ形状とする。この場合の展開中心角は、主円錐プーリの円錐台底面半径ｒ１と案内円錐プーリの円錐台底面半径ｒ３との比によって決まる。図より、扇環状ベルトの展開中心角は４６２°から４７４°程度が適当であることが分かる。主円錐プーリの歯数をＴとすると、展開した扇ベルトでは歯のピッチｐは展開中心角で表すと以下のようになる。
【００７５】
【数２１】
2011049013.tif 000023
【００７６】
扇ベルトの長さはｐの整数倍である必要がある。歯数Ｔを５０とすれば、ｐ＝５．０９であり、扇ベルトの長さは、歯数９１のとき４６３．３°、歯数９２のとき４６８．４°、歯数９３のとき４７３．５°となり、それ以外では適当な長さにならない。扇環状ベルトの長さ(中心展開角α)をこのいずれかとし、この長さになるようなｒ１とｒ３の比を図１１から求め、ｒ３を決定すればよい。
【００７７】
［第７実施形態］
第６実施形態では主円錐プーリ３５と３６の回転軸を一致させているが、特に一致させる必要はなく、３枚以上の円錐プーリを入力円錐プーリ３３および３４と直交するように配置することもできる。こうすることで扇環状ベルト１本あたりにかかる負荷を減らせるが、機構重量が重くなるという問題があるため、さほど多くすることは得策ではない場合が多い。また、３枚以上とすることで、寸法の条件によっては扇環状ベルトを単純な円にすることができ、ベルトの製造がしやすくなる。
【００７８】
［第８実施形態］
本実施形態ではベルトと記述しているが、チェーンを用いても同様の伝動機構が実現できる。図１２に本実施形態の扇ベルトとして用いるチェーンを示す。一般的なチェーンは小さいリンクが平行な軸まわりに回転可能につながったものと見ることができるが、この軸を平行ではなく少し角度をつけることで、扇ベルトとして用いることができる。この場合、円錐プーリは、突起の方向が円錐面に垂直となるようにしたスプロケットとしてもよい。円錐プーリにベルトを巻き付けて張力を発生させると円錐の細くなる方向に力を受けるため、ゴム材等を用いたベルトでは、Ｖベルトのように溝を利用してずれないようにする必要があったが、チェーンによって扇ベルトを構成した場合には、チェーン自体がそのようなずれを生じる力を支えるという利点がある。
【００７９】
［第９実施形態］
図１３は第９実施形態の構成の主要部分を示す図である。本実施形態は第３実施形態の案内円錐プーリ２４乃至２７の代わりに摺動支持部材を用いた場合の例である。その他の構成については第３実施形態と同様である。８０および８１は摺動支持部材であり、図では後方の２つが隠れていて図示されていないが前後左右対称な位置に同様の形状の摺動支持部材を４つ備えている。摺動支持部材８０および８１は、第３実施形態の支持フレーム小５６乃至５９に相当する部材に固定されており、扇環状ベルト２８を摺動接触支持する。扇環状ベルト２８との接触面の形状は仮想円錐面である。
【００８０】
案内円錐プーリを用いた場合に比べ、摺動接触部で摩擦が生じるため伝達効率が悪いことや、扇環状ベルト２８の摩耗が生じやすいこと、発熱することなどの欠点があるが、回転しないため、片側の接触面のみ備えていればよく、板金やプラスチックなどを用いることができ、小型軽量化できることやコストを低減できることなどの利点がある。
【００８１】
［第１０実施形態］
第５〜第９実施形態のような直交軸差動ベルト伝動機構を用いてロボットアームを構成した場合の例について説明する。図１４は本実施形態の関節ユニット１３６の外観図である。１１０はカバー付支持構造であり、支持フレーム横５３および５４、支持フレーム上５５、支持フレーム小５６乃至５９にカバーを固定した物である。１０１は支持円盤であり、図５の固定支持円盤５２にケーブル類を保護するためのカバーを固定したものである。
【００８２】
符号１０９は出力体であり、図５の出力シャフト６０に固定されている。支持円盤１０１は中空支持アーム１０２を介して支持ベース１０３につながっている。中空固定支持シャフト６３から支持ベース１０３へ至る支持構造は中空でつながっており、内部に配線を通すことが可能になっている。配線は、アウターロータモータ固定子６６のコイルへ電力を供給するモータ電力線と、図示しないエンコーダからの信号をコントローラへ渡すためのエンコーダ信号線などがある。また、出力体１０９の先に接続された他の差動関節ユニットなどの機器からの配線である他機器配線も含む。他機器配線は、出力体１０９の中空部分を通して中空固定支持シャフト６３の中に通す。縦横の回転軸の近くに配線を通すことができるため、関節を動作させた場合に配線のたるみや引っ張りが生じにくく、繰り返し動作時の耐久性を向上できる。
【００８３】
支持円盤１０１を中心としてカバー付支持構造１１０が横軸周りに回転し、出力体１０９は縦軸周りに回転する。このような構造の差動関節ユニットにより、出力体１０９の先に取付けた搬送物を横軸および縦軸周りに回転させることができる。この２つの出力軸は、干渉駆動機構となるように構成されているため、最大でモータ単体の出力の２倍の出力をそれぞれの軸で発生させることができる。
【００８４】
本関節ユニット１３６を用いて図１０に示すように、７自由度ロボットアームを構成する。ロボットアーム１５０は旋回軸モータ付きロボットベース１３４、関節ユニット１３１、１３２、１３３乃至１３３及びハンド１３０により構成されている。  旋回軸モータ付きロボットベース１３４は、ロボットアーム１５０を固定面（例えば、工場等のフロア）１５１に固定するとともに、ロボットアーム１５０全体を鉛直方向軸周りに回転させるためのモータを備えたベース（基台）である。関節ユニット１３１、１３２、１３３は、それぞれ出力対１０９と支持ベース１０３とを結合し、直列に連結されている。１３０はハンドであり、本ロボットアームによって位置および姿勢を制御され、搬送、組み立て、溶接、塗装等の仕事をする作業部である。本実施形態はこのような構成となっているので、ロボットアーム１５０を小型化（特に、細身化）しながらも最大出力を向上させた７自由度の垂直多関節ロボットを構成することができる。
【００８５】
［第１１実施形態］
図１６は、第１１実施例の円錐プーリと扇ベルトの形状を示す斜視図である。１６１は円錐プーリに突起１６１ａを備えた、スプロケット円錐プーリである。突起１６１ａは等間隔に配置されている。１６３は穴付扇ベルトであり、突起１６１ａに対応する穴を備えている。穴に突起が噛み合うことにより、ベルトの滑りを防止することができる。図１６では穴の形状は円、突起の形状は先端部に半球を備えた円柱としているが、これらの形状は任意であり、例えば突起を円錐形状としたり、穴を長方形や２つの円をつないだ長穴などとして突起の形状もそれに噛み合う形状としても良い。穴付扇ベルト１６３は、スチールベルトとしても良い。１６２は溝付円錐プーリであり、溝１６２ａを備えている。噛み合い部分の断面図を図１７に示す。溝１６２ａにより、穴付扇ベルト１６３からはみ出した突起１６１ａと溝付プーリ１６２との干渉を避けることができている。
実施例３、５、６、９では、主円錐プーリや入力円錐プーリの仮想円錐面が互いに接するものとしていた。本実施例のスプロケット円錐プーリを主円錐プーリや入力円錐プーリとして用いてこのように配置すると、突起１６１ａが干渉する。この場合、主円錐プーリや入力円錐プーリの仮想円錐面を離して配置すればよい。主円錐プーリや入力円錐プーリの仮想円錐面は、それら同士が接している必要はなく、それぞれが案内円錐プーリの仮想円錐面と接していれば良い。主円錐プーリや入力円錐プーリの仮想円錐面を、角度Δψだけ離して配置する場合、寸法の計算は、
【００８６】
【数２２】
2011049013.tif 000024
として、先に説明した実施例と同様に計算すればよい。
【００８７】
先に説明した実施例のうちの、扇ベルトと円錐プーリが噛み合って伝動するものでも同様であったが、扇ベルトの展開中心角は、噛み合いのピッチの整数倍となっていなければならない。実施例６では、扇環状ベルトの展開中心角が主円錐プーリの歯のピッチｐの整数倍となるように案内円錐プーリの円錐台底面半径を決定したが、本実施例のように主円錐プーリや入力円錐プーリの仮想円錐面を、角度Δψだけ離して配置する場合、案内円錐プーリの円錐台底面半径は先に適当に決定しておき、扇ベルトの展開中心角が噛み合いのピッチの整数倍となるようにΔψを決定しても良い。
【００８８】
［第１２実施形態］
図１８は、第１２実施例の円錐プーリと扇ベルトの形状を示す斜視図である。１８１は円錐プーリにＶ溝１８１ａおよび突起１８１ｂを備えた、タイミング円錐プーリである。突起１８１ｂは等間隔に配置されている。１８３はタイミング扇ベルトであり、Ｖ溝１８１ａに対応するＶ突起１８３ａおよび突起１８１ｂ対応する窪み１８３ｂを備えている。ベルトとプーリの接触部分がわかるように分離した図を図１９に示す。窪みに突起が噛み合うことにより、一般のタイミングベルトのように、伝動方向のベルトの滑りを防止することができる。また、Ｖ溝１８１ａとＶ突起１８３ａが噛み合うことにより、一般のＶベルトのように、横方向のベルトの滑りを防止することができる。タイミング扇ベルト１８３のベルト部分は、スチールベルトとし、Ｖ溝１８１ａとＶ突起１８３ａの部分はウレタンやゴム等の弾性材料とし、スチールベルトに接着して製造しても良い。本実施例では、タイミング扇ベルト１８３と円錐プーリ１８２との接触面は平らとし、１８２は通常の円錐プーリとした。もちろん、両面にＶ溝１８１ａとＶ突起１８３ａを備えた形状としたり、他の実施例で述べたような形状と組み合わせて表裏で異なる形状としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
直交軸にベルト伝動することによってバックラッシがなく耐久性が高く小型軽量な差動機構を実現することができるので、ロボットの肩、肘、手首、股関節、膝、足首、首、腰、指などの関節機構として適用できる他、２個のアクチュエータで車両のステアリングとタイヤの回転を実現する動力伝動機構、カメラのパン・チルト・ロール機構という用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００９０】
１  円錐プーリ
２  円錐プーリ
３  扇ベルト
４  扇ベルト
５  回転軸
６  回転軸
７  仮想円錐面
１０  扇ベルト
１１  円錐プーリ
１２  円錐プーリ
１３  扇環状ベルト
１７  案内円錐プーリ
１８  案内円錐プーリ
２０  扇環状ベルト
２１  入力円錐プーリ
２２  入力円錐プーリ
２３  主円錐プーリ
２４  案内円錐プーリ
２５  案内円錐プーリ
２６  案内円錐プーリ
２７  案内円錐プーリ
２８  扇環状ベルト
５１  固定支持円盤
５２  固定支持円盤
５３  支持フレーム横
５４  支持フレーム横
５５  支持フレーム上
５６  支持フレーム小
５７  支持フレーム小
５８  支持フレーム小
５９  支持フレーム小
６０  出力シャフト
６１  案内プーリ支持シャフト
６２  案内プーリ支持シャフト
６３  中空固定支持シャフト
６４  アウターロータモータ回転子
６５  主プーリ支持円盤
６６  アウターロータモータ固定子
６７  ハーモニックギヤ
６８  クロスローラベアリング
６９  ベアリング
７０  ベアリング
３１  扇環状ベルト
３２  扇環状ベルト
３３  入力円錐プーリ
３４  入力円錐プーリ
３５  主円錐プーリ
３６  主円錐プーリ
３７  案内円錐プーリ
３８  案内円錐プーリ
４０  案内円錐プーリ
４１  案内円錐プーリ
４４  案内円錐プーリ
８０  摺動支持部材
８１  摺動支持部材
１００  扇ベルトチェーン
１０１  支持円盤
１０２  中空支持アーム
１０３  支持ベース
１０９  出力体
１１０  カバー付支持構造
１３６  関節ユニット
１３１  関節ユニット
１３２  関節ユニット
１３３  関節ユニット
１３４  旋回軸モータ付きロボットベース
１５０  ロボットアーム
１５１  固定面
１６１  スプロケット円錐プーリ
１６１ａ  突起
１６２  溝付円錐プーリ
１６２ａ  溝
１６３  穴付扇ベルト
１８１  タイミング円錐プーリ
１８１ａ  Ｖ溝
１８１ｂ  歯状突起
１８２  円錐プーリ
１８３  タイミング扇ベルト
１８３ａ  Ｖ突起
１８３ｂ  窪み
【図１】
2011049013.tif 000025
【図２】
2011049013.tif 000026
【図３】
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【図４】
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【図５】
2011049013.tif 000029
【図６】
2011049013.tif 000030
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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