(57)【要約】【課題】設計自由度が大きく、不釣合い力が少なく騒音振動の小さい高減速複合遊星歯車機構を実現する。【解決手段】高減速複合遊星歯車機構は、入力軸２、出力軸３、第１遊星歯車機構４、及び第２遊星歯車機構５を備えており、 第１遊星歯車機構４は、入力軸２にその中心が結合した第１太陽歯車６と、第１内歯車７と、第１遊星歯車８とから成り、第１遊星歯車８を回転可能に支持する第１支軸９が第１キャリア１０に固定され、第１キャリア１０の中心に出力軸３が固定されており、 第２遊星歯車機構５は、入力軸２にその中心が結合した第２太陽歯車１１と、第２内歯車１２と、第２遊星歯車１３とから成り、第２遊星歯車１３を回転可能に支持する第２支軸１４が静止フレームに固定されており、第１内歯車７と第２内歯車１２は、それぞれ回転可能な共通の円環枠１６の内周面に形成し、円環枠１６は、入力軸２に対して回転可能に装着されている。【選択図】図１
2008275112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の遊星歯車機構から成る複合遊星歯車機構において、前記複数の遊星歯車機構の少なくとも１つの遊星歯車機構の遊星歯車を、非軸対称配置して設計自由度を拡大する構成としたことを特徴とする高減速複合遊星歯車機構。
【請求項２】
複数の遊星歯車機構から成る複合遊星歯車機構において、前記複数の遊星歯車機構のうち、キャリアが回転しない遊星歯車機構のみを非軸対称配置する構成としたことを特徴とする高減速複合遊星歯車機構。
【請求項３】
入力軸、出力軸、第１遊星歯車機構、及び第２遊星歯車機構を備えた高減速複合遊星歯車機構であって、
第１遊星歯車機構は、入力軸にその中心が結合した第１太陽歯車と、第１内歯車と、第１遊星歯車とから成り、第１遊星歯車を回転可能に支持する第１支軸がキャリアに固定され、該キャリアの中心に出力軸が固定されており、
第２遊星歯車機構は、入力軸にその中心が結合した第２太陽歯車と、第２内歯車と、第２遊星歯車とから成り、第２遊星歯車を回転可能に支持する第２支軸が静止壁に固定されており、
第１内歯車と第２内歯車は、それぞれ回転可能な共通の円環枠の内周面に形成し、該円環枠は、入力軸に対して回転可能に装着されていることを特徴とする高減速複合遊星歯車機構。
【請求項４】
前記第１遊星歯車機構及び前記第２遊星歯車機構の両方又はいずれか一方の遊星歯車は、非軸対称配置された構成であることを特徴とする請求項３記載の高減速複合遊星歯車機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、設計自由度を拡大した高減速複合遊星歯車機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽歯車、遊星歯車、内歯車および遊星歯車を保持するキャリアから構成される遊星歯車機構は、次のような優れた特長により、機械システムの駆動系に広く適用されている。
（１）高減速比を実現可能
（２）減速比・伝達トルクに対して機構がコンパクト
（３）入出力が同軸配置可能
【０００３】
従来、複数の遊星歯車機構の各要素を結合して成る複合遊星歯車機構は知られており、複合遊星歯車機構は、単体の遊星歯車機構では実現できない高減速比を実現するものである。
【０００４】
しかしながら、従来の遊星歯車機構では、単体で実現可能な減速比は１／４〜１／１０程度であり、設計には種々の条件が課せられ、歯車歯数や減速比の選択自由度は意外と小さい。
【０００５】
即ち、遊星歯車機構の設計には種々の条件（幾何学的条件、隣接条件、組立条件等）が課せられるため、その設計自由度が著しく制約される。特に、全ての遊星歯車が太陽歯車および内歯車と正しく噛合うための組立条件はきわめて厳しい制約であり、選択可能な歯数の組合せおよび減速比が大幅に限定されてしまう。
【０００６】
例えば３個の遊星歯車を１２０°間隔で配置する場合には、６通りの歯車歯数の組合せ候補のうち、僅か１通りしか選択することができない（図４参照）。
【０００７】
一方、遊星歯車機構の設計においては一般に遊星歯車を等間隔軸対称に配置することを暗黙の前提としているが、実はこの前提が組立条件を極めて厳しい制約とする原因になっている。これに対して遊星歯車の僅かな非軸対称配置を許容すれば組立条件は排除され、設計自由度を大幅に拡大することができる。
【０００８】
例えば、少なくとも１つの遊星歯車を他の遊星歯車と異なる中心角位置に配置する構成が知られている（特許文献１参照）。即ち、遊星歯車を非軸対称配置して設計自由度を拡大する技術自体は、公知である。
【０００９】
例えば、３個の遊星歯車を１２０°以外の角度でも配置することを許せば、２通りの歯車歯数の組合せ候補のうち１通りが選択可能になり、設計自由度が３倍（一般化すると、遊星歯車の個数Ｎｐ倍）に拡大する。
【特許文献１】特公昭３８−１２８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、遊星歯車を非軸対称配置すると歯車間での作用力の総和が零とはならず、不釣合い力が発生する。この不釣合い力はキャリア回転と同速度で転向するため、遊星歯車機構の用途・使用条件によっては騒音振動の原因となる。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題を解決することを目的とするものであり設計自由度が大きく、不釣合い力が少なく騒音振動の小さい高減速複合遊星歯車機構を実現することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するために、複数の遊星歯車機構から成る複合遊星歯車機構において、前記複数の遊星歯車機構の少なくとも１つの遊星歯車機構の遊星歯車を、非軸対称配置して設計自由度を拡大する構成としたことを特徴とする高減速複合遊星歯車機構を提供する。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するために、複数の遊星歯車機構から成る複合遊星歯車機構において、前記複数の遊星歯車機構のうち、キャリアが回転しない遊星歯車機構のみを非軸対称配置する構成としたことを特徴とする高減速複合遊星歯車機構を提供する。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するために、入力軸、出力軸、第１遊星歯車機構、及び第２遊星歯車機構を備えた高減速複合遊星歯車機構であって、 第１遊星歯車機構は、入力軸にその中心が結合した第１太陽歯車と、第１内歯車と、第１遊星歯車とから成り、第１遊星歯車を回転可能に支持する第１支軸がキャリアに固定され、該キャリアの中心に出力軸が固定されており、第２遊星歯車機構は、入力軸にその中心が結合した第２太陽歯車と、第２内歯車と、第２遊星歯車とから成り、第２遊星歯車を回転可能に支持する第２支軸が静止壁に固定されており、第１内歯車と第２内歯車は、それぞれ回転可能な共通の円環枠の内周面に形成し、該円環枠は、入力軸に対して回転可能に装着されていることを特徴とする高減速複合遊星歯車機構を提供する。
【００１５】
前記第１遊星歯車機構及び前記第２遊星歯車機構の両方又はいずれか一方の遊星歯車は、非軸対称配置された構成であることを特徴とする請求項３記載の高減速複合遊星歯車機構。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る高減速複合遊星歯車機構によれば、次のような効果が生じる。
（１）複合遊星歯車機構の歯数選択自由度をＮｐ（遊星歯車の個数）倍に拡大可能である。
（２）従来設計のＮｐ倍の高減速比を実現可能である。
（３）高コストな内歯車の使用を最小限に抑制可能である。
（４）高コストな転位歯車は不要で、標準歯車のみを使用可能である。
（５）不釣合い力が動的に転向せず、振動騒音が生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る高減速複合遊星歯車機構を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。
【実施例】
【００１８】
図１〜３は、本発明に係る高減速複合遊星歯車機構の実施例を説明する図である。この高減速複合遊星歯車機構１は、入力軸２、出力軸３、第１遊星歯車機構４、及び第２遊星歯車機構５とから構成される。
【００１９】
第１遊星歯車機構４は、入力軸２にその中心が結合した第１太陽歯車６と、第１内歯車７と、第１遊星歯車８とから成り、第１遊星歯車８を回転可能に支持する第１支軸９が第１キャリア１０に固定されている。この第１キャリア１０の中心に出力軸３が固定されている。
【００２０】
第２遊星歯車機構５は、入力軸２にその中心が結合した第２太陽歯車１１と、第２内歯車１２と、第２遊星歯車１３とから成り、第２遊星歯車１３とともに回転する第２支軸１４は、第２キャリア１５に回転可能に支持され、第２のキャリア１５は、図示しない静止フレームに固定されている。
【００２１】
この発明に係る高減速複合遊星歯車機構１は、高減速比を得る構成として、第１遊星歯車機構４と第２遊星歯車機構５を、次のように結合して成る。即ち、第１内歯車７と第２内歯車１２を、それぞれ回転可能な共通の円環枠１６の内周面に形成した。この円環枠１６は、入力軸２に対して、図１に示すように回転可能に装着されている。図２及び図３には、この入力軸２に枢着される構成は省略されている。
【００２２】
以上の構成とすることで、この発明に係る高減速複合遊星歯車機構は、次のような機能を奏する。
【００２３】
その前に、単独の遊星歯車における定式化を説明する。遊星歯車の使用においては、太陽歯車、キャリア、内歯車の３要素のうち２要素に入力を与え、残る１要素から出力を取り出すものであり、これら３要素の速度関係は、次の式１及び式２により規定される。
【００２４】
【数１】
2008275112.tif 000003
【００２５】
【数２】
2008275112.tif 000004
【００２６】
一般的な遊星歯車では、内歯車を固定し、太陽歯車を入力、キャリアを出力とする減速機として使用する。これは、式１に拘束条件を加えることに相当し、速度関係は次の式３のように変化する。
【００２７】
【数３】
2008275112.tif 000005
【００２８】
次に内歯車を固定するのではなく，キャリア回転と逆方向へ能動的に回転することを考える。すると、内歯車の逆回転によりキャリア回転の一部が相殺されるためその速度は式（３）よりも減少し、さらに高減速比を得ることができる。そこで、太陽歯車および内歯車の速度に次の式４の関係を導入する。
【００２９】
【数４】
2008275112.tif 000006
【００３０】
式４の拘束を式１に追加すると、太陽歯車からキャリアに至る減速比γを、次の式５乃至６のように導くことができる。
【００３１】
【数５】
2008275112.tif 000007
【００３２】
【数６】
2008275112.tif 000008
【００３３】
式６より、１−α＋β≒０  の場合には、きわめて高い減速比が得られることがわかる。なお、β→∞の極限は、内歯車を固定した状態に相当し、そのとき式式３、５は、は一致する。
【００３４】
以上の単独の遊星歯車における定式化を参考にして、この発明に係る高減速複合遊星歯車機構について、説明する。ここで、第１遊星歯車機構４については、第１太陽歯車６の歯数をＺｓ１、第１内歯車７の歯数Ｚｉ１とし、第２太陽歯車１１の歯数をＺｓ２、第２内歯車１２の歯数Ｚｉ２とする。
【００３５】
すると、第１遊星歯車機構４は、上記単独の遊星歯車機構に相当し、その内歯車を第２遊星歯車機構５により回転する。ここで、式２、 ６に基づいて、定式化に現われる速度比α、βを各歯車の歯数により、次の式７〜９のように表すことができる。
【００３６】
【数７】
2008275112.tif 000009
【００３７】
【数８】
2008275112.tif 000010
【００３８】
【数９】
2008275112.tif 000011
【００３９】
さらに、機構を簡略化するために、第１内歯車７および第２内歯車１２の歯数を等しくすると、式９で表される減速比γを次の式１０で表される減速比γ’のように変形することができる                           
【００４０】
【数１０】
2008275112.tif 000012
【００４１】
ここで、式９〜１０は、複合遊星歯車機構の減速比を表し、その分母を零に近づけると高減速比が得られる。これは、式１０において、第１遊星歯車機構４の第１太陽歯車６と第２遊星歯車機構５の第２太陽歯車１１の歯数差を減らすことに相当する。また、第１及び第２太陽歯車の歯数の大小関係により、入出力回転が同方向（Ｚｓ１＞Ｚｓ２、γ’＞０）あるいは逆方向（Ｚｓ１＜Ｚｓ２、γ’＜０）を設定することができる。
【００４２】
以上のとおりであるから、本発明に係る高減速複合遊星歯車機構１は、第１遊星歯車機構４の第１太陽歯車６と第２遊星歯車機構５の第２太陽歯車１１の歯数差を適宜設定することにより、高減速比が得られるという機能を奏することができる。
【００４３】
本発明に係る高減速複合遊星歯車機構の特徴として、遊星歯車の組立条件緩和というきわめて顕著な効果が生じる。この点について、以下に述べる。
【００４４】
従来の遊星歯車設計では、キャリア上にＮｐ個の遊星歯車を等間隔に軸対称配置するが、全ての遊星歯車は、太陽歯車および内歯車と正しく噛合う必要がある。この組立条件は太陽歯車と内歯車の歯数Ｚｓ、Ｚｉにより、次の式１１で表される。
【００４５】
【数１１】
2008275112.tif 000013
【００４６】
しかしながら、式１１により選択可能な歯数の組合せは、すでに述べたが、著しく限定され、ある内歯車歯数に対して選択できる太陽歯車歯数は、２Ｎｐ通りのうち１通りしかなく、残りの２Ｎｐ−１通りについては遊星歯車を正しく組立てることができない（図４参照）。
【００４７】
これに対して、本発明に係る高減速複合遊星歯車機構によれば、遊星歯車の僅かな非軸対称配置を許容すれば組立条件を大幅に緩和し、選択可能な歯数を２通りのうち１通りに拡大することができる。例えば、第１および第２遊星歯車機構４、５ともに、それぞれ遊星歯車の個数Ｎｐ＝３の場合、従来は歯数の候補から１／６のみを選択可能であるの対して、組立条件を緩和すると候補の１／２を選択することができる。以下に組立条件緩和の具体的な過程を示す。
【００４８】
なお、第１遊星歯車機構４及び第２遊星歯車機構の歯数は、どちらを先に決めるかは、特に限定する必要はない。但し、不釣合い力による騒音振動が問題になる場合には、第１遊星歯車機構４が軸対称配置になるよう先に決め、それに合わせて第２遊星歯車機構５を決定することが好ましい。
【００４９】
（１）次の式１２に示すように、歯数の和Ｚｓ＋ＺｉをＮｐで除した整数商Ｍ及び剰余ΔＭを求める。
【００５０】
【数１２】
2008275112.tif 000014
【００５１】
ここで、剰余が零(本例では第１遊星歯車機構４が該当)ならば、遊星歯車を等間隔で軸対称配置すれば良く、以降の過程は不要である。また、剰余が非零(本例では第２遊星歯車機構が該当)ならば、遊星歯車の非軸対称配置が必要であり、以降の過程に進む。
【００５２】
（２）次の式１３に示すように、遊星歯車の配置間隔に相当する整数Ｍｋ（１≦ｋ≦Ｎｐ）を定め、ΔＭｋ＝１及びΔＭｋ＝０に対応するＭｋを極力均等に分散する。これは、数式１２の剰余分を均等に分散することにより、遊星歯車配置の非対称性を最小限にすることに相当する。
【００５３】
【数１３】
2008275112.tif 000015
【００５４】
（３）Ｍ１：Ｍ２：………ＭＮｐの間隔比でキャリア上に遊星歯車を配置すればよい。ここで、「Ｍ１：Ｍ２：………ＭＮｐの間隔比」とは、例えば、実施例における第１遊星歯車機構４、及び第２遊星歯車機構に即して言うと、次のとおりである。
＜第１遊星歯車機構４について＞
・式１２の割算  （５０＋１００）／３＝５０  余り０
・割切れるので軸対称配置可能
・間隔比  １：１：１
＜第２遊星歯車機構について＞
・式１２の割算  （４８＋１００）／３＝４９  余り１
・余りが出るので非軸対称配置
・間隔比  ４９：４９：４９＋１＝４９：４９：５０
【００５５】
（構成例）                                   
本発明に係る高減速複合遊星歯車機構の具体的な実施例を以下説明する。遊星歯車個数Ｎｐ＝３、内歯車は第１遊星歯車機構４と第２遊星歯車機構５について共通（Ｚｉ２＝Ｚｉ１）とする。
【００５６】
第１遊星歯車機構４の歯数は、太陽歯車Ｚｓ１＝５０、内歯車Ｚｉ１＝１００として、この条件のもとで極力大きな正の減速比を得ることを目標とする。第１遊星歯車機構４の第１遊星歯車８は式１１の組立条件を満足するため、１２０°等間隔で軸対称に構成することができる。
【００５７】
式１０については、第２遊星歯車機構５の第２太陽歯車の歯数Ｚｓ２が次の条件を満たせば、正の高減速比を得ることができる。
Ｚｓ２≒Ｚｓ１
Ｚｓ２＜Ｚｓ１
Ｚｓ２はＺｉ２＝１００と同じ偶数
【００５８】
この場合、Ｚｓ１＝５０直近で上記条件を満たす歯数はＺｓ２＝４８となり、γ’＝７５という、高減速比を得ることができる。
【００５９】
ただし、第２遊星歯車機構５の歯数（太陽歯車Ｚｓ２＝４８、内歯車Ｚｉ２＝１００）は、上記式１１の組立条件を満たさないため、図５（ａ）のように太陽歯車と遊星歯車が矢印で指示する領域で干渉してしまう。そこで非軸対称配置を許容し、上記過程に沿って組立条件を緩和すると、図５（ｂ）のように全ての遊星歯車を正しく組立てることができる。
【００６０】
これに対して、組立条件を緩和せずに遊星歯車を軸対称配置すると、Ｚｓ１＝５０直近で組立条件を満たす歯数Ｚｓ２＝４４となり、得られる減速比γ’は前述の１／３にあたる２５に減少してしまう。
【００６１】
上記非対称性とした場合の定量的な評価は次のとおりである。
遊星歯車の配置間隔：間隔比４９：４９：５０
幾何学的非対称量： （軸対称位置からの遊星歯車軸の移動距離）
歯車モジュールの０．５２倍
遊星歯車（歯数２６）直径の２．０％
力学的非対称量：０．８２  ％
｜不釣合い力｜／（遊星歯車個数×｜太陽歯車と遊星歯車間の作用力｜）
なお、力学的非対称量は、「｜不釣合い力｜／（遊星歯車個数×｜太陽歯車と遊星歯車間の作用力｜」と定義し、本実施例においてその値を計算すると０．８２％となるという意味である。
【００６２】
本発明に係る高減速複合遊星歯車機構の非対称性が設計自由度拡大および高減速比は、複合遊星歯車機構の使用目的、使用条件等の諸条件を勘案して、適宜採用すればよい。
【００６３】
以上のように、本発明に係る高減速複合遊星歯車機構によれば組立条件を緩和することができるとともに、次のような顕著な効果が生じる。
【００６４】
（１）高減速比を実現
組立条件を緩和しない従来設計のＮｐ倍の高減速比を得ることができる。
【００６５】
（２）内歯車を１基しか使用しない
組立条件を緩和しない場合であっても、例えば、Ｚｓ１＝５０、Ｚｉ１＝１００、Ｚｓ２＝４７、Ｚｉ２＝９７という歯数では減速比γ＝９７が得られる。ただしこの場合、歯数が異なる２種類の内歯車が必要となる。
【００６６】
しかし、一般に内歯車は外歯車と比べて製作が難しく、コストも高く、歯数の選択も限定される。これに対して本発明によれば、２基の内歯車の歯数が等しいため、実際の機構では１基の内歯車を共用することができる。
【００６７】
（３）不釣合い力が動的に転向しない
遊星歯車を非軸対称に配置する結果、太陽歯車と遊星歯車が接触する箇所での作用力の総和は零にならず、半径方向の不釣合い力が生じる。この不釣合い力はキャリア回転と同速度で転向するため、騒音・振動を生じるおそれがある。しかし、本発明によれば、第２遊星歯車機構のキャリアは固定されているため、不釣合い力は転向しない。すなわち第１遊星歯車機構を軸対称配置、第２遊星歯車機構を非軸対称配置とすれば、組立条件を緩和しても不釣合い力の方向は一定であり、騒音・振動を生じることはない。
【００６８】
以上、本発明に係る負荷感応変速機を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施例を説明する概念図である。
【図２】本発明の実施例を説明する斜視図である。
【図３】本発明の実施例を説明する斜視図である。
【図４】遊星歯車機構の組み合わせの可否を示す表である。
【図５】遊星歯車機構の組み合わせによる問題及びその改良を説明する図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  高減速複合遊星歯車機構
２  入力軸
３  出力軸
４  第１遊星歯車機構
５  第２遊星歯車機構
６  第１太陽歯車
７  第１内歯車
９  第１支軸
１０  第１キャリア
１１  第２太陽歯車
１２  第２内歯車
１３  第２遊星歯車
１４  第２支軸
１５  第２キャリア
１６  円環枠
【図１】
2008275112.tif 000016
【図２】
2008275112.tif 000017
【図３】
2008275112.tif 000018
【図４】
2008275112.tif 000019
【図５】
2008275112.tif 000020